Desarrollo de Híbridos en Arroz

1. Desarrollo de Híbridos en Arroz César P. Martínez Mejorador Proyecto Arroz CIAT Curso Internacional Arroz-FAO Chillan, Chile. Enero 15-26,2007

2. Congreso Internacional Arroz New Delhi, India, Octubre 2006 • Segun FAO: Requerimiento mundial arroz en 2025 es 800 m.TM; ahora alrededor de 600m. • 200 m. TM adicionales deben producirse: • Incremento de la productividad • Incremento de la rentabilidad • Producción sostenible • Esto requiere: desarrollo de nuevas tecnologías incluyendo los híbridos, “super arroces ó supervariedades” resistentes a enfermedades é insectos, de buena calidad. • La integración con biotecnología es clave para lograr el impacto esperado.

3. Estrategias Mejoramiento Incremento Producción • Selección (Variedades tradicionales) • Hibridación y selección generaciones • Mejoramiento tipo planta(ideotipo) • Mejoramiento poblacional • Desarrollo híbridos(Jones, 1926) • Hibridación interespecífica • Ingeniería genética

4. Breve historia desarrollo híbridos arroz • Jones, J.W en 1926: primer reporte en arroz.Varios reportes( Chang et al,1973; Davis and Rutger,1976; Virmani et al, 1981). • Grupos en China, India, USA, Japon é IRRI empezaron trabajos desarrollo de híbridos; varias dificultades forzaron abandono trabajos pero solo los chinos perseveraron. • China: Trabajos empezaron en 1964 y las herramientas genéticas necesarias( líneas androestériles, mantenedoras y restauradoras) se usaron con éxito en 1973. • Híbridos con heterosis alta identificados en 1974 y las técnicas para producción semilla hibrida establecidas en 1975. Liberación agricultores en 1976. Dr. L.P. Yuan es conocido como el padre del arroz híbrido recibiendo el “World Food Prize”.

5. Breve historia desarrollo híbridos arroz • Expansión contínua del área sembrada en híbridos: China de 0.15 millones de ha en 1976 ha pasado a 15 m en 2006(+ 50% del área total). • Aprox. 2m de has sembradas fuera de China: India, Vietnan, Filipinas, Bangladesh, Indonesia y Myanmar. • Cerca de 20 paises estan desarrollando híbridos. • Sector público fuerte en desarrollo de tecnología y sector privado en desarrollo comercial de híbridos, producción, procesamiento y comercialización de semilla

6. Porqué Arroz Híbrido? • El potencial de rendimiento de las variedades modernas semi-enanas se ha estabilizado. • Debe producirse mayor cantidad de arroz en menor área. • La demanda de arroz está aumentando mas rápidamente en varias regiones. • El arroz híbrido produce 15-20 % más que las variedades convencionales. • Los híbridos han demostrado la capacidad de producir mejor bajo condiciones adversas de suelo, malezas y sequia(1-2 t/ha).

7. Qué es arroz Híbrido • Es el cultivo comercial resultante de la siembra de la semilla F1 de un cruce entre dos padres genéticamente distintos.

8. Heterosis • Término equivalente a Vigor Híbrido: • Superioridad de la F1 sobre los padres. • Su expresión está confinada a la primera generación. Agricultores deben comprar nueva semilla. • Heterosis puede ser positiva ó negativa: debe ser positiva para rendimientopero negativa para caracteres como ciclo y altura de planta.

9. Bases Genéticas de la Heterosis Se han propuesto dos hipótesis: • Dominancia: Debida acumulación de genes favorables con efecto dominante derivados de los dos padres(AAbbCCdd x aaBBccDD = F1 AaBbCcDd. • Sobredominancia: Sugiere que los heterocigotos(Aa) son mas vigorosos y productivos que los homocigotos. Ha sido confirmado en caracteres controlados por un gen o pocos genes. Los heterocigotos performan una funcion especifica, en un rango de ambientes,mas eficientemente que cualquiera de los homocigots (East,1936). • Puede ser la combinación de varios mecanismos: dominancia parcial o completa, sobredominancia, epistasis(Comstock y Robinson,1952).

10. Bases fisiológicas de la heterosis • S. Akita,1988. Physiological bases of heterosis in rice. In : Hybrid rice. Proceed. Inter.Rice Symposium on Hybrid Rice. China. IRRI. • Los híbridos presentan excelente vigor inicial y lo mantienen hasta la floración. • Heterosis en actividad fotosintética y respiración son ventajas adicionales. • Tienen mejor estructura de planta y mejor partición de fotosintatos al grano en los últimos estados de crecimiento. El mayor número de espiguetas/área no se debe a la cantidad de N absorbido. • Mejor comportamiento en condiciones adversas: menor radiación solar, salinidad, malezas y sequia( Se reporta 1-2t/ha más que las variedades convencionales).

11. Tipos de Heterosis • Mid-parent heterosis( valor medio de los padres):Incremento ó disminución del valor con relación al promedio de los padres. • Heterobeltiosis: Incremento ó disminución con relación al mejor padre. • Heterosis standar: Incremento ó disminución con relación a la variedad sembrada en la región. En términos prácticos puede ser la mas importante (queremos superar la mejor variedad convencional disponible al productor).

12. F1 –Promedio Padres Promedio Padres F1 –Mejor padre Mejor Padre F1 – Variedad Testigo Variedad Testigo Heterosis Standar(%) Heterobeltiosis(%) Promedio Padres Heterosis (%) = = = X 100 X 100 X 100 Cómo se mide la heterosis

13. Nivel de la Heterosis • Japónica x Japónica = Menor • Indica X Indica = Intermedio • Indica X Japónica = Alto • Ideotipo // Indica X Japónica = Super híbrido • Grupos heteróticos ( Maiz)

14. Cómo se produce el arroz híbrido • El arroz es esencialmente autopolinizado. • Por consiguiente, el uso de un sistema de esterilidad masculina es esencial. • La esterilidad masculina(genética o no-genética) hace el polen inviable y no hay producción de semilla. • Entonces la línea macho estéril puede usarse como madre. • La línea macho estéril sembrada al lado de una de una línea restauradora fértil produce cierta cantidad de semilla híbrida. • La semilla cosechada de las plantas macho estériles es la semilla utilizada para las siembras comerciales.

15. Tipos de esterilidad masculina • Androesterilidad genética • Androesterilidad citoplasmática • Androesterilidad genético-citoplasmática • Androesterilidad inducida por el medio ambiente. • Androesterilidad inducida químicamente.

16. Incompatibilidad • Es la incapacidad de las plantas, con polen y óvulos viables, de producir semillas debido a algún impedimento fisiológico que evita la fertilización. • Puede operar en cualquier estado entre la polinización y la fecundación. • La incompatibilidad hace que las plantas tengan una polinización cruzada, lo cual evita la consanguinidad de las especies. • Se presenta en más de 300 especies pertenecientes a 20 familias: Graminea, leguminosae, brassicaceae, compositae, solanaceae, etc.

17. Androesterilidad genética • Genes nucleares son los responsables de este tipo de esterilidad. Generalmente controlada por un par de genes recesivos. Tambien suele producirse por mutación. • Se encuentran plantas de esten tipo en cruzamientos interespecíficos; se cruzan con plantas fértiles y selección por fertilidad. Ej O.sativa xO.latifolia

18. Androesterilidad citoplasmática • Depende de factores citoplasmáticos. En este tipo no intervienen factores genéticos nucleares, salvo cuando entran a modificar el citoplasma para restaurar la fertilidad. Tambien se produce por mutación. • Una vez detectada se cruza con planta fértil de la misma variedad, con el fin de obtener semilla y guardarla para uso posterior. • Estéril (hembra) x fértil (macho)= progenie estéril porque se deriva del gameto femenino. • Se utiliza el retrocruzamiento para incorporar este tipo de androesterilidad en lineas élites, recuperando el padre recurrente.

19. Androesterilidad genético-citoplasmática • Se debe a la interacción entre un gen recesivo (ms) presente en el núcleo y un factor citoplasmático(s) presente en el citoplasma. Se diferencia del tipo citoplasmático en que la progenie de las plantas androestériles no es necesariamente androestéril, sino fértil cuando se utilizan ciertas plantas como polinizadoras Asi : • Estéril (msms-S) x fértil (MsMs-S)= F1 fértil (Msms-S) • Se usa el retrocruzamiento para incorporar este tipo de androesterilidad en un material élite. • Se utiliza en programas de mejoramiento en obtención de híbridos de tres líneas.

20. ♀ ♂ msms MsMs Msms X S S S Estéril Fértil F1 Fértil Androesterilidad genético-citoplasmatica

21. Las Plantas androesteriles pueden identificarse de dos maneras: • Examen en campo: las plantas androesteriles poseen las anteras más pequeñas y arrugadas. • Examen microscopico: cuando el polen es tratado con acetocarmín y observado bajo el microscopio se pueden tener dos posibilidades: si el polen es fértil se colorea y se muestra lleno, y si es esteril no colorea y se aprecia vacío. • La aplicación de la androesterilidad en la producción comercial no es tan sencilla porque: • Existen genes modificadores que pueden influir en la precisión del mecanismo de la androesterilidad. • El gameto masculino puede participar en la formación del cigoto con una pequeña porción del citoplasma, lo que puede ocasionar una falla en la esterilidad. • El ambiente, especialmente la temperatura alta, puede afectar la expresión de la androesterilidad.

22. Polen Fertil Polen Esteril

23. Androesterilidad genético-citoplasmática • La línea CMS(A) siempre se multiplica cruzándola con su línea mantenedora(B), ya sea manualmente ó en parcelas aisladas(mayor cantidad de semilla). • Las líneas A y B son muy similares excepto que A es macho estéril y B es macho-fértil. • Ocasionalmente pueden exhibir pequeñas diferencias morfológicas y agronómicas influenciadas por los factores citoplasmáticos que inducen la androesterilidad. • La línea restauradora ó R posee genes dominantes restauradores de la fertilidad. • Como este sistema utiliza tres líneas(A,B,R) los híbridos desarrollados se conocen como híbridos de tres líneas.

24. Fuentes de CMS • Varias fuentes disponibles (CMS-WA mas utilizada) pero no todas son útiles. Requisitos: • Estable y completamente androestéril a través de los ambientes. • De fácil mantenimiento de tal manera que genotipos diversos puedan ser convertidos en líneas CMS. • Fácil restauración de tal manera que distintos genotipos puedan ser usados como R. • No tener efectos adversos en caracteres agronómicos ( Por ejemplo: aroma)

25. Características deseables en línea CMS • Androesterilidad estable en ambientes. • Buena adaptabilidad en ambientes en donde el híbrido se va a sembrar. • Fácil restauración de la fertilidad(muchas líneas élites usadas como macho fértiles). • Buena capacidad de polinización cruzada. • Buena habilidad combinatoria. • Buena calidad de grano.

26. Notas sobre la restauración de la fertilidad • Disponibilidad de un buen número de R es crucial. • Indica presenta mayor frecuencia de R. • Restauración de la fertilidad en el citoplasma tipo CMS-Boro se debe a un gen sencillo dominante Rf1. • En el caso del sistema CMS-WA está controlado por dos genes dominantes .

27. Androesterilidad genético-citoplasmática Ventajas: el mas efectivo y probado método. Desventajas: • Producción de semilla es un poco complicada en dos pasos: multiplicación de A xB y producción de AxRF1. • El uso de macho-fértiles restringido a los que realmente son R. • Algunas veces el citoplasma que induce la androesterilidad tiene efectos negativos en algunas características. • El sistema CMS puede ocasionar vulnerabilidad genética de los híbridos si el citoplasma está asociado con susceptibilidad a factores bióticos.

28. Producción de híbridos de Cebolla de bulbo usando androesterilidad Para la producción de semilla híbrida de cebolla, usando la androesterilidad, se necesitan tres líneas : A, B y R. Línea A: Línea androestéril: (S-ms ms). Línea B: Línea mantenedora de la línea A. Genéticamente es semejante a la línea A, excepto que produce polen (N-msms). Línea R: Línea genéticamente diferente a la línea A y usada para hacer el cruzamiento con la línea A. para la producción de semilla híbrida. Se denomina restauradora(N-Ms Ms ó N-msms).

29. Red Creole N-msms Red Italian S-msms X X F1 S-msms 100% estéril N-msms Línea B Producción de la línea mantenedora (Línea B) Una línea androesteril conocida (ejemplo: Red Italian línea 13-73) se cruza con la variedad de interés (ejemplo: Red Creole) Si la progenie de este cruzamiento es 100% esteril, entonces la planta probada de Red Creole seria N-msms. Semillas provenientes por autofecundación a partir de esa planta probada formara la linea B (N-msms).

30. Red Italian Red Creole N-msms S-msms X 50% Red Italian 50% Red Creole 25% Red Italian 75% Red Creole 12.5% Red Italian 87.5% Red Creole S-msms X N-msms S-msms X N-msms S-msms X N-msms LINEA A Obtención de la línea A en la variedad Red Creole Utilizando la progenie F1 del cruzamiento anterior se procede por retrocruzamiento, a producir la línea A, que será igual a la línea B, excepto que será androesteril (Isolínea).

31. LINEA B Red Creole (N-msms) Red Creole (N msms) LINEA A Red Creole (S-msms) Red Creole (S-msms) X X etc Mantenimiento de la Línea A:

32. Línea R: N-msms (Polinizador) Línea A: S-msms (Macho estéril) Producción de semilla híbrida Generalmente se utiliza la proporción de un surco de la línea masculina (línea R: N-msms) y cuatro surcos de la línea femenina (línea macho estéril A: S-msms). El genotipo del polinizador , preferiblemente, debe ser N-msms, con el fin de evitar la posibilidad de obtener semilla F2. Esquema de la producción de semilla híbrida de Cebolla de bulbo, usando macho esterilidad

35. Promoviendo mecánicamente la Polinización Cruzada.

36. Cosecha de semilla híbrida

37. Androesterilidad inducida ambientalmente • La expresión está condicionada por factores ambientales. Dos tipos: • PGMS: La expresión de la esterilidad del polen y comportamiento de la fertilidad depende de la respuesta al fotoperiodo ó duración de la longitud del dia(horas luz). Por ejemplo, la mayoría de las PGMS son macho-estériles en dias largos(+13.75h) y fértiles en dias cortos(-13.75h)

38. Androesterilidad inducida ambientalmente • TGMS: Líneas estériles sensibles a la temperatura son aquellas cuya condición estéril/fértil está condicionada por el régimen de temperatura. Por ejemplo: la mayoría de las TGMS son macho-estéril a temperaturas altas( máximo 30 OC) y parcialmente fértiles por debajo de 30 C El punto crítico esteril/fértil depende del genotipo. • El estado termo-sensitivo crítico varía entre 15-25 dias antes de la floración ó 5-15 dias despues de la iniciación de la panícula. o

39. Androesterilidad inducida ambientalmente • Ventajas: • La producción de semilla es más sencilla que en CMS. • No es necesario tener una línea B mantenedora. • Estas líneas se multiplican vía autofecundación cuando se siembran en condiciones favorables para la fertilidad. • Sólamente se requieren dos líneas( la termo ó fotoperiodo- sensible y la macho-fértil) para obtener la semilla híbrida. Se conocen como “híbridos de dos líneas.

40. Androesterilidad inducida vía química • Envuelve el uso de agentes químicos ó gametocidas(ethrel, arsenato metil monosódico, arsenato metil sódico). • La esterilidad es inducida por la aplicación de cierta dosis del gametocida( mata el polen sin afectar el ovario). • Para la producción de semilla híbrida se siembran los padres en surcos alternos: uno se esteriliza y el otro sirve como fuente del polen. • Gametocida ideal: acción selectiva,efecto sistémico (panículas tardías), amplio rango de efectividad en condiciones adversas, efecto mínimo negativo en el desarrollo y producción del cultivo. • En arroz se usa muy esporádicamente . Tambien se llaman “híbridos de dos líneas”

41. Organización Programa Híbridos • Procedimientos completamente diferentes al mejoramiento convencional. • Híbridos: Genes asociados con productividad se juntan y explotan en condición heterocigota por una generación. • Variedades: Acumulación genes en forma homocigota y explotación varios años.

42. Cont. Organización Programa Híbrido Comprende las siguientes fases: 1. Desarrollo líneas parentales 2. Producción semilla de los parentales 3. Producción semilla combinaciones F1 4. Evaluación de las F1: nivel de heterosis 5. Producción semilla mejores híbridos 6. Comercialización de los mejores híbridos

43. Cont. Organización Programa Híbridos Los distintos materiales deben agruparse: • Fuentes de variabilidad genética • Mantenimiento/evaluación líneas CMS • Testcross(Vivero evaluación características agron., fertilidad F1s ) 4. Purificación/multiplicación semilla Rs 5. Vivero retrocruzamiento:Conversión mejores líneas élites a CMSs 6.Evaluación habilidad combinatoria 7. Producción semilla genética y básica de parentales 8.Producción semilla para evaluación experimental híbridos 9. Evaluación mejores híbridos en campos agricultores. 10. Procedimientos asegurar la calidad y cantidad semilla Híbridos

44. Calidad de grano en arroz híbrido • G.S.Khush, I. Kumar y S. Virmani,1988. Hybrid rice,IRRI.Proceed. Inter. Symp. Hybrid Rice, China. • Los granos cosechados en los híbridos representan semilla F2 y varian en sus caracteristicas. • Mayor rendimiento industrial se obtuvo cuando ambos padres tenían buen rendimiento industrial. • Cruces entre padres con apariencia del endosperma diferente producen granos con tipos de endosperma difrentes y esta variación puede afectar la aceptación en el mercado. • Cuando los padres fueron muy diferentes en el contenido de amilosa, los granos F2 fueron clasificados en 3-4 categorías. • En resumen, se pueden obtener híbridos con características deseadas de grano seleccionando apropiadamente los padres.

45. Exito híbridos en China • Persistencia, tenacidad y capacidad trabajo. • Desarrollo y uso de varias fuentes CMS. • Desarrollo de líneas CMS con alta % polinización cruzada. • Desarrollo líneas androestériles termo ó fotosensible estables. • Mejoramiento resistencia enfermedades e insectos. • Mejoramiento calidad de grano. • Combinación de “ideotipos” con combinaciones que expresan alta heterosis. • Uso de MAS e hibridación interespecífica( super híbridos)

46. Comentarios finales • Estrategia mejoramiento efectiva y probada bajo distintas condiciones bióticas y abióticas. • Los problemas iniciales han sido resueltos efectivamente. • Mejores resultados bajo condiciones adversas. • Interacción GxE y deben identificarse los mejores nichos. • Gran impacto en ingreso agricultores, producción arroz, desarrollo industria semilla y generación empleo. • Avances continuos en tecnología y obtención mejores híbridos. • Joint venture: Colaboración sectores público- privado. • Nuevas oportunidades para América Latina