Bazele teoretice ale Ameliorǎrii plantelor

Definitia Ameliorǎrii plantelor

Ameliorarea plantelor reprezintǎ stiinta biologicǎ aplicativǎ care studiazǎ variabilitatea si ereditatea speciilor vegetale si elaboreazǎ metodele de obtinere si inmultire a unor genotipuri noi care prezintǎ valoare agronomicǎ superioarǎ din punct de vedere fenotipic.

Cu alte cuvinte, Ameliorarea plantelor este stiinta creǎrii si inmultirii soiurilor si hibrizilor. Este o stiintǎ pentru cǎ are un obiect de studiu propriu, foloseste metode specifice de cercetare si se bazeazǎ pe legi si principii cǎlǎuzitoare distincte pentru realizarea obiectului de studiu propus (N. Munteanu, 2000).

Cateva notiuni utilizate in Ameliorarea plantelor

Individul este unitatea biologicǎ elementarǎ a unei populatii, al cǎrui genotip are o manifestare fenotipicǎ distinctǎ, conditionatǎ de relatiile dintre gene si conditiile de mediu.

Elita (planta elitǎ) este individul cu caracteristici deosebite sau superioare celorlalti indivizi din populatie.

Populatia este reprezentatǎ de un grup de indivizi inruditi intre ei, care se reproduc strict in acelasi mod si ocupǎ un anumit areal, fiind supusi transformǎrilor sub actiunea acelorasi factori de evolutie.

Linia reprezintǎ o populatie formatǎ din descendentii rezultati pe cale sexuatǎ de la o singurǎ plantǎ autogamǎ, prin autofecundare. Cand planta este homozigotǎ, descendentii formeazǎ o linie purǎ (constituita din indivizi identici genotipic). Plantele alogame formeazǎ prin autofecundare o linie consangvinǎ.

Clonul (clona) este populatia care se formeazǎ prin inmultirea asexuatǎ (apomicticǎ) a unui singur individ, fiind formatǎ din indivizi identici din punct de vedere genetic.

Familia este populatia care se formeazǎ prin inmultirea sexuatǎ a unei singure plante alogame, in urma polenizǎrii libere. Existǎ douǎ tipuri de familii:

familie complet sib (full-sib) cand familia provine prin fecundarea unei plante cu polenul unei alte singure plante;

familie jumǎtate sib (half-sib) cand familia provine prin fecundarea unei plante cu polenul de la mai multe plante.

Soiul (cultivarul) este un grup de plante sau populatie de indivizi dinstinctǎ, omogenǎ si stabilǎ, care se cultivǎ cu scopul de a realiza o anumitǎ recoltǎ, superioarǎ din punct de vedere cantitativ si calitativ.

In functie de structura geneticǎ si modul de creare in procesul de ameliorare, exista mai multe tipuri de cultivar (dupa Douglas, 1980):

- cultivar monoliniar = format dintr-o singura linie (la speciile autogame);

- cultivar multiliniar = format din mai multe linii asemǎnǎtoare (la speciile autogame);

- cultivar policross = format din mai multe familii (la speciile alogame);

- cultivar sintetic = format din generatia I si/sau a II-a obtinutǎ printr-un policross (incrucisare in amestec) a 6-8 linii consangvinizate (la speciile alogame);

- cultivar hibrid F1 = format din generatia I hibridǎ, obtinutǎ intre douǎ linii homozigote pure sau consangvine (hibrid simplu), intre un hibrid simplu si o linie homozigotǎ (hibrid triplu) si asa mai departe.

- cultivar populatie localǎ = format dintr-o mare diversitate de indivizi, inclusiv tipuri primitive cu ascendenti greu de precizat, in urma unei selectii empirice si/sau naturale intr-o anumitǎ zonǎ de culturǎ, avand o structurǎ influentatǎ de conditiile de mediu si de modul de cultivare.

Materialul initial de ameliorare este materialul biologic care cuprinde toate bioformele vegetale ce apartin unei anumite specii, chiar unui gen, si sunt folosite pentru crearea cultivarelor (N. Munteanu, 2000). Mai poartǎ denumirile de: germoplasmǎ, genobancǎ sau surse de gene. Pentru crearea unor soiuri valoroase este important ca materialul initial sǎ fie cat mai numeros si mai diversificat genetic, avand o variabilitate naturalǎ (flora spontanǎ) sau indusǎ (forme nou create).

Reproducerea este fenomenul prin care intr-o populatie apar noi indivizi (generatia filialǎ) dintr-o primǎ generatie (parentalǎ).

Inmultirea este fenomenul prin care are loc sporirea numǎrului de indivizi dintr-o populatie, pe cale sexuatǎ (amfimicticǎ) - in urma fuziunii dintre gametul mascul (spermatia) si gametul femel (oosfera) sau pe cale asexuatǎ (apomicticǎ sau apomixie) - prin agamospermie (semintele se formeazǎ in afara procesului de fecundare), inmultire vegetativǎ (prin diferite organe vegetative: tuberculi, bulbi, lǎstari, drajoni sau prin microclonare de celule, tesuturi sau organe) sau prin transplantare (altoire).

Legitǎtile genetice specifice ereditǎtii caracterelor

1.3.1. Relatia ADN - ARN - proteine reprezintǎ dogma centralǎ a geneticii, fiind conceptul central al biologiei contemporane. Aceastǎ dogmǎ constǎ in faptul cǎ unei succesiuni de codoni ii corespunde succesiunea de aminoacizi incorporati in proteine. Cu alte cuvinte, acizii nucleici care alcǎtuiesc gena comandǎ, ARN-mesager transcrie comanda in limbajul sǎu si o duce la ribozomi, unde se produce translatia, adicǎ traducerea mesajului in ,,limbajul proteinelor'. Proteinele la randul lor transmit informatia geneticǎ la nivelul caracterelor complexe.

Proteinele, pe langǎ rolul structural, au si rolul de transmitere a informatiei genetice si de specificare a celorlalte componente celulare, cu care interactioneazǎ permanent. Asfel, relatia tranferului de informatie geneticǎ devine :

ADN - ARN - proteine - caractere de diferite complexitǎti

Sinteza proteinelor are loc cu un consum de energie important, fiind necesare 0,5Kcal/mol pentru formarea unei singure legǎturi peptidice. Aceastǎ energie se formeazǎ prin hidroliza adenozintrifosfatului (ATP) care este cel mai important donor de energie, reactia avand loc cu eliberarea uneia sau a douǎ molecule de fosfat anorganic si cu emiterea de energie, astfel:

ATP + H₂O = ADP + (P) 7 Kcal/mol

ATP + H₂O = AMP + (P-P) 8 Kcal/mol

ADP + H₂O = AMP + (P) 6 Kcal/mol

Fazele sintezei proteice sunt (Fig. 1.1.):

Transcriptia - reprezintǎ procesul copierii informatiei genetice de pe o catenǎ de ADN pe o catenǎ de ARN-mesager prin propria lui sinteza.

Translatia - are loc in citoplasmǎ prin deplasarea ARN-mesager la nivelul ribozomilor cu care alcǎtuieste complexe poliribozomale (ARN-mesager + ARN-ribozomal)

Activarea si transferul aminoacizilor - prin formarea complexului (ARN-transfer + aminoacid), cu ajutorul enzimelor aminoacil ARN-t sintetaze si in prezenta ATP ca donor de energie.

Polimerizarea aminoacizilor, in prezenta peptidpolimerazei care catalizeazǎ formarea legǎturilor peptidice intre aminoacizi, are loc in trei etape: de initiere, de alungire si incheierea sintezei.

Reciclajul subunitatilor ribozomale

ARN - r Proteine ribozomale

Subunitǎti ale ribozomilor

o o

O o

Proteine

ADN ARN - m o o o

Transcriptie O O O

Translatie ARN - s

Replicatie Enzime

Aminoacizi activati

ARN - s

Aminoacizi + ATP

Reciclajul ARN - s

Fig. 1.1. Dogma centralǎ a geneticii

Ereditatea mendelianǎ - se bazeazǎ pe legitǎtile descoperite de Gr. Mendel in urma efectuǎrii unor cercetǎri prin hibridare la un total de 22 soiuri de mazǎre, deosebite intre ele prin caractere constante si bine individualizate.

1.3.2.1. Monohibridarea si relatiile interalelice reprezintǎ incrucisarea intre doi pǎrinti care se deosebesc printr-o singurǎ pereche de caractere. Fiecare genǎ are douǎ alele (dominantǎ si recesivǎ), intre care pot exista diferite relatii:

Dominantǎ - recesivitate la monohibridarea de tip Pisum se poate reprezenta schematic ca in Fig. 1.2.

galben    verde

P : AA ♀ x aa ♂ (homozigoti)

G: A x a

F1: Aa (heterozigot)

F2: P: Aa x Aa

G: A a x A a

AA Aa Aa aa

Rg 1 : 2 : 1

(Raport genotipic) 25% 50% 25%

Rf

(Raport fenotipic) 3 : 1

Fig. 1.2. Monohibridarea de tip Pisum

Semidominanta sau dominanta incompletǎ la monohibridarea de tip Zea (Fig. 1.3.)

Latyrus odoratus - flori rosii si albe

rosie albǎ

P : AA ♀ x aa ♂

G : A x a

F1: Aa - roz (fenotip intermediar)

F2: P: Aa ♀ x Aa♂

G: A a x A a

AA Aa Aa aa

Rg: 1 : 2 : 1

Rf: 1 : 2 : 1

rosu    roz alb

Fig. 1.3. Monohibridarea de tip Zea (semidominanta)

Codominanta - in care rezultǎ un fenotip nou

Supradominanta sau heterozisul - in care rezultǎ un fenotip superior fatǎ de pǎrinti (Fig. 1.4.)

Porumb cu talie 1m x Porumb cu talie 0,5m

P : AA x aa

G: A x a

F1: Aa - 1,5m

P: Aa x Aa

G: A a x A a

AA Aa Aa aa

Rg: 1 : 2 : 1

Rf: 1 : 2 : 1

1m 1,5m 0,5m

Fig. 1.4. Supradominanta (Heterozisul)

Letalitatea - in care alela dominantǎ sau cea recesivǎ, in stare homozigotǎ, determinǎ moartea organismului respectiv. Poate fi de dominantǎ sau de recesivitate.

Pleiotropia - situatia cand in cursul evolutiei au apǎrut mai multe gene dominante sau recesive care determinǎ acelasi caracter (gene pleiotrope).

Dihibridarea reprezintǎ incrucisarea intre pǎrinti puri din punct de vedere genetic care se deosebesc prin douǎ perechi de caractere. (Fig. 1.5.)

2 perechi de caractere :

bob galben neted bob verde zbarcit

P : AABB ♀ x aabb ♂

G : AB x ab

F1: AaBb - dihibrid (galben neted)

F2: P: AaBb ♀ x AaBb ♂

G: AB Ab aB ab x AB Ab aB ab

Rg: 4 AaBb - gn

2AaBB - gn

2AABb - gn

2 Aabb - gz Rg = 4 : 2 : 2 : 2 : 2 : 1 : 1 : 1 : 1

2aaBb - vn Rf = 9 : 3 : 3 : 1

1 AABB - gn gn gz vn vz

1 Aabb - gz

1 aaBB - vn

1 aabb - vz Fig. 1.5. Dihibridarea - metoda sahului de combinatii

1.3.2.3. Legile mendeliene ale ereditǎtii au fost definite pentru prima datǎ in 1866 de cǎtre Mendel, in publicatia ,,Experiente asupra hibrizilor vegetali'.

Uniformitatea generatiei hibride in F1 - Generatia F1 care apare prin incrucisarea unor pǎrinti homozigoti din punct de vedere genetic este formatǎ din hibrizi, intotdeauna uniformi atat genotipic, cat si fenotipic.

Legea segregǎrii independente a genelor in F2 - La indivizii hibrizi heterozigoti Aa, in momentul formǎrii gametilor, cele douǎ alele se despart in timpul diviziunii meiotice si merg in gameti diferiti: 50% A si 50% a.

Legea segregǎrii independente a perechilor de caractere - Genele plasate pe cromozomi diferiti segregǎ independent.

1.3.2.4. Trihibridarea reprezintǎ incrucisarea intre indivizi care se deosebesc prin trei perechi de caractere (Fig. 1.6.) :

inalt galben neted pitic verde zbarcit

P: AABBCC ♀ x aabbcc ♂

G: ABC x abc

F1: AaBbCc trihibrid inalt galben neted

F2: P: AaBbCc♀ x AaBbCc♂

G:

C ABC C aBC

B B

c Abc c aBc

A C AbC a C abC

b b

c Abc c abc

3CC = 27 AABBCC (ign)

3BB (g) (n)

1 cc = 9 AABBcc (igz)

3AA (i) (z)

3CC = 9AAbbCC (ivn)

1 bb (v) (n)

1 cc = 3 AAbbcc (ivz)

(z)

3 CC = 9 aaBBCC (pgn)

3BB (g) (n)

1 cc = 3 aaBBcc (pgz)

1 aa (p) (z)

3CC = 3 aabbCC (pvn)

1 bb (v) (n)

1 cc = 1 aabbcc (pvz)

(z)

Rf = 27 : 9 : 9 : 9 : 3 : 3 : 3 : 1 Fig. 1.6. Trihibridarea - (metoda ramificatiilor)

1.3.3. Ereditatea morganistǎ (Teoria cromozomialǎ a ereditǎtii) - se bazeazǎ pe descoperirile realizate de Th. Morgan si colaboratorii sǎi (A.H.Sturtevant, C.B.Bridges si H.J.Muller) in urma studiilor de ereditate la musculita de otet, Drosophila melanogaster, insectǎ cu o inmultire foarte rapidǎ, cu un numǎr redus de cromozomi (8), studii care au fǎcut posibilǎ descoperirea unor legi obiective ale ereditǎtii: transmiterea inlǎntuitǎ a genelor (linkage) si schimbul de gene (crossing-over).

1.3.3.1. Transmiterea inlǎntuitǎ a genelor - Linkage - a fost observatǎ la Drosophila melanogaster de cǎtre Th. Morgan si s-a confirmat mai tarziu, in 1905, la specia Latyrus odoratus, de cǎtre W.Bateson si R.C.Punett, care prin incrucisare au obtinut un raport de segregare diferit de cele mendeliene.

Fenomenul s-a explicat prin tendinta genelor cu locusi situati in cromozomi omologi, de a se transmite impreunǎ, in bloc, la descendenti. Capacitatea de transmitere inlǎntuitǎ a genelor depinde de distanta dintre ele pe cromozom, genele apropiate transmintandu-se lincat cu o frecventǎ mai mare decat cele separate de distante mai mari.

Aceastǎ constatare a permis lui Th. Morgan sǎ punǎ bazele teoriei privind dispunerea liniarǎ a genelor in cromozomi si sǎ obtinǎ date valoroase pentru alcǎtuirea ulterioarǎ a hǎrtilor cromozomiale.

1.3.3.2. Schimbul de gene - Crossing-over - a fost observat la Drosophila melanogaster de cǎtre Th. Morgan, care a obtinut un raport de segregare diferit in F2, datorat formǎrii in F1 a 4 tipuri de gameti: douǎ tipuri de gameti fǎrǎ crossing-over (non-crossover) si douǎ tipuri de gameti cu crossing-over (recombinati).

Acest fenomen a fost descris mai tarziu si la nivel intragenic, de sublocusi sau subgene (pseudoalele), de cǎtre Benzer, dupǎ 1950, care a descoperit reconii (segmente de material genetic intre care se poate produce recombinarea).