Sistema demacho-esterilidad genético-citoplasmática del arroz

El arroz es una especie estrictamente autofecunda; por lo tanto, el desarrollo de los híbridos debe involucrar un sistema efectivo de macho-esterilidad para producir semillas híbridas en cantidades masivas. La macho-esterilidad genético-citoplasmática (MEGC) ha sido identificada como una forma práctica de desarrollar híbridos comerciales de arroz. El conocimiento de la MEGC y de los sistemas de restauración de la fertilidad ayudan a los fitomejoradores a hacer un uso mas eficiente de las herramientas genéticas para el desarrollo de las F1 híbridas.

CONCEPTO DE LAS TRES LÍNEAS

Las llamadas tres líneas son: la línea macho-estéril genético-citoplasmática (MEGC o línea A), la línea de mantenedor (línea B) y la línea restauradora (línea R).

Línea MEGC

Esta línea se refiere a una línea especial para cruzamientos cuyas anteras son anormales. No existe polen o este polen aborta en las anteras MEGC, por lo que, en esta línea, no se forma semilla por autofecundación (Figura 1). Sin embargo, los pistilos de la línea MEGC son normales y pueden producir semillas cuando son polinizados por un arroz normal. Una línea MEGC deseable no debería tener solamente buenas características agronómicas sino también las siguientes características:

• estabilidad del macho-estéril: la macho-esterilidad debería ser heredada de generación en generación sin ningún cambio en la esterilidad del polen y no debería ser influenciada por los cambios ambientales, sobre todo las fluctuaciones de temperatura.
• fácil restauración: esto se refiere a dos aspectos; primeramente, el sistema macho-estéril propuesto debería tener un amplio espectro de restauración de modo que la probabilidad de seleccionar combinaciones híbridas superiores sea mayor; en segundo lugar, la formación de semilla de los híbridos restaurados debería ser estable y menos influenciada por ambientes adversos.
• buena estructura floral y hábitos florales: la línea MEGC debería florecer normalmente y el tiempo de floración diario se debería sincro-nizar con el parental masculino; su estigma debería ser bien desarrollado y exerto durante y después de la floración; la apertura de la gluma debería durar mas y tener un ángulo mayor.

FIGURA 1

Las anteras de una línea MEGC están vacías, son finas y tenues, de color blanco lechoso o amarillento

Línea de mantenedores

Esta línea es un polinizador específico usado para polinizar la correspondiente línea MEGC y, por lo tanto, produce progenies que todavía conservan la macho-esterilidad. Si no hubiera línea de mantenedores, el MEGC no podría ser mantenido y multiplicado de generación en generación.

Las principales características de una línea MEGC están determinadas por su correspondiente línea de mantene-dores; de hecho, la línea MEGC y su mantenedor pueden ser consideradas como "gemelas". Son similares entre ellas en su apariencia y difieren solo en algunas características. Las diferencias entre las líneas A y B se presentan en la Tabla 9 (ver también Figura 2).

FIGURA 2

Pobre exerción de la panoja en la línea MEGC (derecha) comparada con su mantenedor (izquierda)

Línea restauradora

Es una variedad polinizadora usada para polinizar la línea MEGC y producir híbridos F1 que vuelven a ser normales en su fertilidad y de ese modo pueden producir semillas por autofecundación. Como línea superior restauradora debería tener: i) una fuerte capacidad de restauración, por ejemplo, la forma-ción de semilla de los híbridos F1 debe ser igual a la de la variedad normal; ii) mejores características agronómicas y una buena habilidad combinatoria; iii) una mayor altura de planta, una duración del crecimiento similar o algo mayor a la línea MEGC; y iv) anteras bien desarrolladas con un gran número de granos de polen, buen hábito de floración y dehiscencia normal (Figura 3).

FIGURA 3

Anteras bien desarrolladas de una línea restauradora

Interrelaciones entre las tres líneas

Cuando se han obtenido las tres líneas es posible iniciar la producción de las semillas híbridas F1 en gran escala. La heterosis en el arroz puede de este modo ser utilizada comercialmente.

La línea MEGC se siembra en surcos alternados con la línea mantenedora en una parcela aislada para multiplicar semillas de la línea MEGC cada año. En otra parcela aislada la línea MEGC y la línea restauradora se siembran en surcos alternados para producir las semillas híbridas F1.

MECANISMO GENÉTICO DE MACHO-ESTERILIDAD Y DE RESTAURACIÓN DE LA FERTILIDAD

Muchas de las líneas macho-estériles usadas hoy día en la producción comercial pertenecen a MEGC. En este sistema, la fertilidad es controlada tanto por el citoplasma como por el núcleo. La macho-esterilidad es el resultado de la interacción entre los genes estériles en el citoplasma y los genes recesivos estériles en el núcleo. Sin embargo, el gen nuclear dominante R puede restaurar la fertilidad en la planta con el citoplasma macho-estéril. La constitu-ción genética de las tres líneas y sus relaciones se muestran en la Tabla 10.

El genotipo de la línea MEGC es S(rr), el de la línea mantenedora es N(rr), el de la línea restauradora es N(RR) o S(RR) y el del híbrido F1 es S(Rr). Dado que el citoplasma se hereda solamente del parental femenino y dado que los gametos masculinos no contribuyen con citoplasma en el proceso de fertilización, las progenies de A/B tienen genotipo S(rr) que es el mismo de la línea MEGC y que, por lo tanto, presentan macho-esterilidad. En el cruzamiento de A/R, su genotipo F1 es S(Rr). Como que el gen restaurador es dominante, la fertilidad se recupera en las plantas F1.

CLASIFICACIÓN DE LAS LÍNEAS MEGC

Con la rápida expansión de la investigación sobre arroz híbrido se han desarrollado una serie de tipos diferentes de líneas macho-estériles. Para la conveniencia de la investigación y su utilización estas líneas MEGC pueden ser clasificadas en diferentes tipos basados en los siguientes criterios.

Clasificación basada en características genéticas

En base al comportamiento genético de los genes estériles, las líneas MEGC pueden ser divididas en dos tipos: esporofíticos y gametofíticos.

Macho-esterilidad esporofítica - en el sistema de macho-esterilidad esporofítico la esterilidad o fertilidad del polen es determinada por el genotipo del esporofito -cuerpo de la planta- y el genotipo de los granos de polen -gametofito- no tiene ningún efecto per se. Cuando el genotipo esporofítico es S(rr) todos los granos de polen serán abortivos. Si el genotipo es N(RR) o S(RR) todos los granos de polen serán fértiles.

Si bien el genotipo del esporofito S(Rr) produce dos clases de gametos masculinos, a saber S(R) y S(r), los granos de polen son fértiles porque la fertilidad de los granos de polen está determinada por el gen dominante R presente en el esporofito.

Las líneas MEGC del tipo abortivo salvaje (AS) y del tipo Gambiaca (Gam) pertenecen a la esterilidad esporofítica, la cual tiene las siguientes propiedades:

• el híbrido F1 de la cruza A/R tiene granos de polen normales con fertilidad normal; la segregación de la fertilidad ocurrirá en la F2 y una cierta proporción de plantas macho-fértiles aparecerá en la población.
• el aborto de los granos de polen ocurre en las primeras etapas del desarrollo del microsporo; muchos de los granos de polen aparecen arrugados e irregulares, hay menos granos de polen redondeados, y no se tiñen con la solución de I-KI; las anteras son de color blanco lechoso, acuosas e indehiscentes.
• la macho-esterilidad es estable y menos influenciada por el ambiente pero su espectro de restauración es relativamente limitado, con menos variedades restauradoras dispo-nibles.
• el primer entrenudo de la parte superior del tallo es mas corto y la parte basal de las panojas está incluida en parte en la vaina de la hoja bandera.

TABLA 9

Diferencias entre la línea MEGC y su línea de mantenedor

Característica	Línea MEGC	Línea del mantenedor
Capacidad de macollaje	Fuerte, con un largo período de macollaje
Fecha de floración	La línea esporofítica MEGC es 3-5 días mas tardía que la línea mantenedora
Panoja	Cuello corto Parte basal encerrada en la vaina en el tipo indica, semienana, esporofítica	Normalmente extendida en la floración
Hábito floral	El tiempo diario de floración es mas tardío y dura mas	El tiempo de floración está concentrado y la apertura de la gluma es mas corta
Forma de las anteras	Vacía, fina, tenue, color blanco lechoso o amarillento	Rellena, de color dorado
Polen	Forma irregular y no se tiñe con I-KI Redondo y no se tiñe con I-KI Redondo y de color azul claro cuando teñido con I-KI	Redondo y azul oscuro cuando teñido con I-KI
Fertilidad	Sin autofertilización	Normal

TABLA 10

Constitución genética de las tres líneas

Notas: S = citoplasma macho-estéril; N = citoplasma macho-fértil; r = gen nuclear macho-estéril; R = gen nuclear macho-fértil.

Macho-esterilidad gametofítica - en el sistema macho-estéril gametofítico la fertilidad de los granos de polen está determinada directamente por los genotipos del gametofito -polen- per se y no tiene influencia sobre el genotipo del esporofito -cuerpo de la planta. El gen nuclear R y r en el gametofito -polen- da lugar a fertilidad y esterilidad, respectivamente.

Las líneas MEGC de los tipos Boro II-Taichung 65 (BT), Tian 1 y Hong-Lien pertenecen a la macho-esterilidad gametofítica, la que presenta las siguientes propiedades:

• el híbrido F1 de la cruza de A/R tiene dos genotipos de polen, a saber S(R) y S(r), en igual proporción; si bien solo la mitad de los granos de polen son normales, el híbrido F1 puede aún ser autopolinizado para producir semillas por autofecundación. En la F2 no aparecen plantas macho-estériles ya que el polen S(r) de la F1 es abortivo y solo el polen fértil S(R) es capaz de fertilizar.
• el aborto del polen ocurre en las últimas etapas del desarrollo del microsporo; los granos de polen son redondeados y ligeramente teñidos por la solución de I-KI (Figura 4). Las anteras son delgadas, de color ama-rillo lechoso e indehiscentes; en condiciones de alta temperatura y baja humedad algunas anteras pue-den, sin embargo, ser dehiscentes, dando lugar a semillas autofecun-dadas.
• la fertilidad puede ser fácilmente restaurada y su espectro de restaura-ción es relativamente amplio, por lo que se pueden encontrar mas varie-dades restauradoras.
• las panojas no están encerradas en la vaina.

FIGURA 4

Granos de polen de una línea gametofítica GEMC ligeramente teñidos por una solución de I-KI

Clasificación basada en la relación entre los restauradores y los mantenedores

De acuerdo a la relación entre las líneas restauradoras y las mantenedoras las líneas existentes GEMC pueden ser clasificadas en tres grupos básicos: el grupo I puede ser representado por los tipos AS, el grupo II por los tipos Hong-Lien y el grupo III por los tipos BT.

Líneas GEMC del tipo AS - las líneas MEGC del tipo AS fueron desarrolladas por retrocruza de arroz salvaje abortivo (AS) como madre con padres recurrentes, sobre todo de tipo indica de maduración temprana tales como Er-Jiu-Nan 1, Zhen-Shan 97, V20 y V41.

La frecuencia de obtención de líneas mantenedoras para tipos AS es alta en las variedades tipo indica enanas, de maduración temprana, cultivadas en China y es extremadamente baja en las líneas del IRRI. Por el contrario, la frecuencia de obtención de líneas restauradoras es mas alta en las líneas del IRRI que se originaron en el sureste de Asia y parte del sur de la China.

Relaciones mantenedor-restaurador similares a las de los tipos AS también se pueden encontrar en una serie de líneas de MEGC derivadas de cruzas entre arroz salvaje y cultivares como los tipos Ai-Bai y Liu-Ye y en algunas líneas MEGC derivadas de cruzas entre indica tales como los tipos Gam e Indonesia 6 -también llamada Indonesian Paddy.

Líneas GEMC de tipo Hong-Lien. Este tipo es desarrollado por retrocruza de arroz salvaje de aristas rojas como progenitor femenino con el progenitor masculino recurrente Lian-Tang-Zao, una variedad indica alta, de madurez temprana.

La relación entre los restauradores y los mantenedores del tipo Hong-Lien son en general contrarios a lo que se observó en el tipo AS. Por ejemplo, algunas variedades de indica enanas y de madurez temprana tales como Zhen-Shan 97, Er-Jiu-Ai y Xian-Feng 1, que son mantenedores de líneas MEGC AS tienen una fuerte capacidad restauradora de las líneas MEGC Hong-Lien. Por otro lado, algunos restauradores de líneas MEGC AS como Peta, Tai-Ying 1, Indonesia 6 (Indonesian Paddy) y Xue-Gu-Zao son buenos mantenedores de las líneas MEGC Hong-Lien. Muchas líneas del IRRI tales como IR24 e IR26 poseen una capacidad restauradora parcial del tipo Hong-Lien.

La relación entre los restauradores y los mantenedores de las líneas MEGC desarrolladas usando el citoplasma de Tian-Ji-Du, tal como Tian-Ai A es similar al del tipo Hong-Lien.

Líneas MEGC de tipo BT. La líneas MEGC Taichung 65, algunas líneas MEGC de japonica como Li-Ming y Feng-Ying, con citoplasma estéril transferido de BT-C y las líneas MEGC de japonica Tian 1 pertenecen a este tipo.

Muchas de las variedades de japonica de Japón y China son buenos mantenedores. Los genes de restaura-ción en las líneas restauradoras existentes de arroz japonica son procedentes sobre todo de indica.

Clasificación basada en la morfología de los granos de polen estériles

La macho-esterilidad en el arroz podría ser debida a anormalidades en cualquier etapa de la microesporogénesis. Una falla en el mecanismo de la formación de los microsporos de las células esporogénicas da lugar a un tipo de polen libre macho-estéril, mientras que la falla del mecanismo durante el desarrollo del microsporo y la maduración del polen da lugar a varios tipos de aborto del polen. La clasificación de las líneas estériles basada en la morfología de los granos de polen teñidos por la solución de I-KI es una práctica de rutina en el mejoramiento de las líneas MEGC.

Tipo de aborto típico. Los granos de polen son de forma irregular, algunos son triangulares, otros son ahusados. No son teñidos por la solución de I-KI y el aborto del polen ocurre relativamente temprano, sobre todo en la etapa de un solo núcleo, por lo que este tipo es también llamado tipo de aborto uninuclear. La mayoría de las líneas MEGC del tipo AS pertenecen a este tipo.

Tipo de aborto esférico. Los granos de polen son esféricos y no se tiñen con la solución de I-KI. El aborto del polen ocurre aproximadamente en el estado de dos núcleos por lo que también es llamado tipo de aborto binuclear. Las líneas MEGC de Hong-Lien son representativas de este tipo.

Tipo de aborto teñido. Los granos de polen son esféricos pero de menor tamaño que el polen normal y se tiñen parcial o ligeramente con la solución de I-KI. El aborto del polen ocurre sobre todo en la etapa de tres núcleos, por lo que es conocido como tipo de aborto trinuclear. Las líneas MEGC de BT están incluidas en este tipo.