Krzyżowanie roślin - fragment podręcznika PWRiL 1985

Istota i cel krzyżowania

Krzyżowanie polega na kojarzeniu dwu genetycznie różnych osobników, prowadzącym do powstania mieszańcowego potomstwa. Mieszańce takie mają, jak wiadomo, inne niż u form rodzicielskich kombinacje cech i mogą stanowić materiał wyjściowy do wyhodowania nowych odmian.

Wybrane do krzyżowania rośliny mateczne i ojcowskie mogą być ze sobą blisko spokrewnione (np. należeć do jednej odmiany), mogą też pochodzić z innych odmian, populacji lub gatunków, a nawet rodzajów. Na tej podstawie rozróżnia się krzyżowanie wewnatrzodmianowe, międzyodmianowe, międzygatunkowe i międzyrodzajowe.

Krzyżowanie wewnątrzodmianowe stosuje się przede wszystkim u roślin obcopylnych, wśród których występują w większości rośliny różniące się między sobą pod względem właściwości dziedzicznych. Daje ono efekty zwłaszcza w wypadku wyboru do krzyżowania form wyraźnie zróżnicowanych. U roślin samopylnych krzyżowanie to jest stosowane rzadziej, osobniki bowiem wchodzące w skład odmiany nie różnią się między sobą istotnie pod względem cech dziedzicznych.

Krzyżowanie międzyodmianowe polega na doborze do krzyżowania roślin pochodzących z dwóch odmian, z których jedna powinna się odznaczać wybitną plennością, a druga jedną lub kilkoma wartościowymi cechami użytkowymi lub odpornością. Ze względu na oryginalność przyszłej odmiany korzystne jest, jeśli odmiany te są zróżnicowane morfologicznie. Krzyżowanie międzygatunkowe i międzyrodzajowe może być stosowane tylko do niektórych gatunków i rodzajów roślin; będzie to omówione w osobnym podrozdziale. Celem krzyżowania jest zazwyczaj uzyskanie form, które by łączyły różne cechy roślin rodzicielskich i mogły się stać" materiałem wyjściowym do hodowli nowych odmian. Oprócz tego, dzięki krzyżowaniu, można w potomstwie roślin wywołać zjawisko heterozji, które w efekcie daje zwiększenie plonu. Przez krzyżowanie osiąga się następujące ważne dla hodowli efekty:

1. większą zmienność roślin,
2. nowe kombinacje cech,
3. transgresję,
4. epistazę,
5. nowe sprzężenia genów.

1. Zwiększenie się ogólnej zmienności roślin daje możliwość wyboru roślin lepiej przystosowanych do nowych warunków środowiska. Ma to szczególne znaczenie przy wykorzystywaniu form sprowadzonych z odległych rejonów geograficznych.

2. U mieszańców pojawiają się nowe kombinacje cech, nie spotykane u form rodzicielskich. Zgodnie z prawem Mendla pierwsze pokolenie jest heterozygotyczne, a więc pod względem cech w większości wypadków pośrednie między obu formami rodzicielskimi; w wypadku zaś, gdy u którejś z form rodzicielskich występują cechy dominujące, pierwsze pokolenie będzie podobne do tej właśnie formy rodzicielskiej. Rozszczepienie się cech nie kończy się na drugim pokoleniu, lecz występuje jeszcze w następnych pokoleniach, aż do zaniku form heterozygotycznych. Formy heterozygotyczne roślin samopylnych po kilku pokoleniach (6-8 ) całkowicie się rozszczepiają, a dalej wybierane formy są już homozygota- mi, a więc formami całkowicie ustalonymi. Natomiast u roślin obcopylnych, jeżeli nie zastosujemy izolacji, to stałe, coroczne swobodne przekrzyżowanie się roślin uniemożliwi powstawanie form homozygotycznych.

Poszukiwanie nowych kombinacji genów, które mogą powodować nowe cenne połączenia różnych właściwości rodzicielskich w potomstwie zaczyna się już podczas występowania rozszczepień. Hodowca musi sobie zdawać sprawę z istnienia zależności między genem a cechą, między genotypem a fenotypem. Wytworzenie się cechy jest uzależnione zarówno od środowiska zewnętrznego, jak i od genotypu. Każda z cech jest wynikiem działania genów, przy czym między działaniem genu a ujawnieniem się cechy istnieje jeden lub więcej etapów. To, co się dziedziczy, nie jest samo przez się cechą, lecz genetycznie zdeterminowaną normą reakcji genotypu. Geny stwarzają jedynie możliwość wytworzenia danej cechy lub przyczyniają się do jej powstawania.

Jeżeli określona cecha roślin jest Jednogenowa", to znaczy warunkowana tylko przez jedną parę genów (alelli) i w niewielkim stopniu ulega wpływom środowiska, to jest ona szczególnie cenna dla hodowców, ponieważ dziedziczy się na zasadzie prostych praw Mendla.

Zdarza się też, że jedna para genów może warunkować kształtowanie się dwóch lub kilku cech. Stwierdzono na przykład, że plenność i masa objętościowa ziarna pszenicy odmiany Onas podlegają wpływowi genu warunkującego ościstość lub bezostność plewek. Gdy metodą skomplikowanych krzyżowań z pszenicy ościstej wyhodowano bezostną, była ona o 7% plenniejsza i miała większą masę jednego hektolitra nasion o 1,5 kg. Jednakże większość cech ważnych gospodarczo jest u roślin uprawnych uwarunkowana nie jedną, lecz kilkoma parami genów. Są też cechy wielogenowe, tj kontrolowane przez większę liczbę par genów. Dziedziczenie tego rodzaju cech jest skomplikowane, a liczba w pełni wartościowych kombinacji cech w potomstwie jest stosunkowo niewielka i tylko w bardzo licznym materiale roślinnym można znaleźć formy odznaczające się nowym korzystnym zestawem cech ważnych gospodarczo.

Cechy „wielogenowe" powodują więc powstawanie ogólnej większej liczby kombinacji cech i większej różnorodności mieszańców, ale utrudniają pracę hodowcy.

3. Niekiedy u mieszańców występuje zjawisko transgresji, czyli spotęgowanie się niektórych właściwości, przekraczające zakres zmienności form rodzicielskich i pokolenia F1. Jeżeli na przykład skrzyżuje się dwie formy rodzicielskie pszenicy o średniej zimotrwałości, to w potomstwie można otrzymać rośliny bardziej zimotrwałe od obydwu form wyjściowych. Jak stwierdził swojego czasu prof. Nilsson Ehle, transgresja występuje wtedy, gdy mamy do czynienia z dziedziczeniem wielogenowym, to znaczy, gdy jakaś cecha warunkowana jest przez kilka współdziałających par genów i gdy formy rodzicielskie różnią się wyraźnie pod względem genotypu.

Zjawisko transgresji w pewnym uproszczeniu można przedstawić według następującego schematu: Rodzice — AAbbxaaBB F, — AaBb F, — AABB,..., aabb. A więc wykształcenie się jakiejś cechy powyżej zakresu zmienności form rodzicielskich następuje na skutek sumowania się efektów genów dominujących i odwrotnie: pogorszenie — przez sumowanie się efektów genów recesywnych.

Częstotliwość wystąpienia zjawiska transgresji można znacznie zwiększyć, krzyżując odmiany o rozmaitym pochodzeniu, zwłaszcza z rejonów geograficznie oddalonych. W tych bowiem przypadkach istnieje większe prawdopodobieństwo skrzyżowania odmian, których zdolność plonowania uwarunkowana jest rozmaitymi i liczniejszymi genami.

4. Epistaza jest to forma współdziałania genów, polegająca na oddziaływaniu jednego genu na fenotypowe przejawianie się innego genu lub genów nieallelicznych w taki sposób, że fenotyp jest uwarunkowany tylko przez pierwszy gen. Epistaza może zresztą zachodzić nie tylko u osobników heterozygotycznych. Zjawisko to jest ważne, gdyż również umożliwia powstawanie zupełnie nowych kombinacji cech.

5. Na częstotliwość poszczególnych możliwych kombinacji genów u mieszańców wpływa inne zjawisko, zwane sprzężeniem genów. Sprzężenie jest to łączne przekazywanie genów zlokalizowanych w jednym chromosomie. Niekiedy sprzężenie genów ma skutek dodatni dla hodowli, innym razem znów ujemny. Na przykład wiadomo, że występuje sprzężenie genów warunkujących odporność na rdzę źdźbłową pszenicy z genami warunkującymi późne dojrzewanie pewnych linii pszenic. Omówione niektóre z ważniejszych efektów krzyżowania pociągają za sobą powstawanie u mieszańców wielu nowych kombinacji genowych, zwiększających ogólną zmienność roślin i umożliwiających hodowcom wyhodowanie całkiem nowych, oryginalnych odmian o ulepszonych cechach użytkowych.

Rodzaje krzyżowania

W zależności od celu hodowli oraz od posiadanego materiału wyjściowego stosuje się jedną z metod krzyżowania: krzyżowanie proste, wielokrotne, zwrotne lub wsteczne. Krzyżowanie proste. Polega na jednorazowym skrzyżowaniu dwóch wybranych form rodzicielskich (A x B). Jeśli forma ojcowska odznacza się cechami dominującymi, a forma mateczna jakąś łatwą do określenia cechą recesywną, to już w pierwszym pokoleniu można odróżnić mieszańca od potomstwa powstałego przez przypadkowe samozapylenie, mieszańce bowiem będą zawsze miały w F1 (w pierwszym pokoleniu) dominujące cechy rośliny ojcowskiej. Krzyżowanie wielokrotne. Pojedyncze krzyżowanie proste nie pozwala niekiedy na otrzymanie potomstwa o kilku dodatnich właściwościach. Wówczas lepsze wyniki daje kilkakrotne krzyżowanie z celowo dobranymi formami rodzicielskimi. W tym celu pochodzące ze skrzyżowania prostego mieszańce należy ponownie krzyżować z jakąś inną odmianą o znanych i pożądanych cechach i wreszcie uzyskanego nowego mieszańca jeszcze raz skrzyżować z jeszcze inną cenną odmianą. Takie krzyżowanie nazywa się wielokrotnym, a przeprowadza się je zgodnie ze schematem: [(A xB)xC]xD. Krzyżowanie wielokrotne stosuje się niekiedy przy introdukcji roślin w celu wyłowienia z materiału mieszańcowego osobników plastycznych, bardziej przydatnych do uprawy w warunkach danego środowiska. Jeżeli wśród materiału wyjściowego (np. wśród wartościowych gospodarczo odmian) szukamy najlepszych partnerów do krzyżowania, to wybieramy kilka form i każdą z nich krzyżujemy ze wszystkimi pozostałymi. Wybiera się np. 4 odmiany A, B, C, D, krzyżuje się je według schematu A x B, A x C, A x D, B x C, B x D oraz C x D. Tego rodzaju krzyżowanie wielokierunkowe wykazuje nam, która z kombinacji jest najlepsza. Krzyżowanie zwrotne (A x B i B x A). Tę metodę stosuje się wtedy, gdy przypuszczamy, że istnieje wyraźny wpływ plazmy na dziedziczenie danych cech. Jeżeli pokolenie powstałe ze skrzyżowania A x B (gdzie A jest matką, a B ojcem), wykaże inne cechy niż otrzymane ze skrzyżowania B x A (w którym B jest matką, a A ojcem), to można mówić o wpływie dziedziczenia cytoplazmatycznego, czyli matecznego. Wówczas w hodowli stosować będziemy tylko korzystniejszą dla nas kombinację. Krzyżowanie wsteczne. Krzyżowanie wsteczne prowadzi się według schematu (A x B) x A. Przez krzyżowanie wsteczne roślin pokolenia F, (A x B) z jedną z form rodzicielskich (np. A) zwiększa się liczbę genów tejże odmiany (A) w potomstwie, przytłumiając wpływ genów drugiej formy rodzicielskiej (B). Krzyżowanie wsteczne umożliwia ulepszenie odmian w zasadzie plennych i dobrych, ale mających pewne nieliczne wady.

Często dokonuje się szeregu krzyżowań wstecznych z odmianą, która ma być ulepszona, przy czym cecha decydująca o ulepszeniu utrzymywana jest poprzez jednoczesną selekcję. Jeśli stosuje się kilkakrotne krzyżowanie wsteczne (zwane także wypierającym), to przenoszony gen — w przeciwieństwie do pozostałych genów — pozostaje w stanie heterozygotycznym. Wreszcie zastosowanie samozapylenia po ostatnim skrzyżowaniu wstecznym doprowadza do homozygotyczności i poprzez selekcję umożliwia wyhodowanie odmiany, która pod względem plenności i większości cech dokładnie odpowiada wypierającej formie rodzicielskiej, ale jest od niej lepsza pod względem tej szczególnej cechy, która stanowiła cel programu hodowli.

Krzyżowanie wsteczne często stosuje się wtedy, gdy poprzez kojarzenie plennej odmiany hodowlanej z formą prymitywną, ale odporną na jakąś chorobę i wytrzymałą na mróz czy też suszę, pragniemy poprawić odporność i wytrzymałość nowej odmiany. Początkowo otrzymujemy najczęściej mieszańca o poprawionej odporności, ale o zmniejszonej plenności.

Dalsze krzyżowanie mieszańca z wyjściową odmianą hodowlaną, przy jednoczesnym stosowaniu ostrej selekcji pod względem odporności roślin, może doprowadzić do oczekiwanego efektu, a więc do wyhodowania odmiany plennej i odpornej. Powodzenie metody krzyżowania J wstecznego jest uwarunkowane spełnieniem następujących warunków: j wybraniem odpowiedniego partnera ; wypierającego i zachowaniem odpowiedniej intensywności przenoszonej cechy w ciągu kilku krzyżowań wstecznych; liczba krzyżowań wstecznych musi być na tyle duża, aby zapewnić odtworzenie w wysokim stopniu po - I żądanych cech partnera. Warunki te spełnimy, gdy jako komponenta wypierającego do programu krzyżowań wstecznych wybierzemy jakąś odmianę utrzymującą się w uprawie przez wiele lat i wytrzymującą konkurencję pojawiających się nowych odmian oraz będziemy ulepszać jakąś jej jedną lub dwie stosunkowo najmniej korzystne cechy. Zachowanie intensywności przenoszonej cechy w ciągu cyklu krzyżowań wstecznych zapewnimy poprzez odpowiednią selekcję. Jest rzeczą najkorzystniejszą, gdy cecha ta jest łatwa do zidentyfikowania i silnie odziedziczana.

Skuteczną liczbę krzyżowań wstecznych oraz dostateczną intensywność przenoszenia cechy uzyskamy, gdy łącznie przeprowadzimy sześć I krzyżowań wstecznych, a w pokoleniu drugim i trzecim po pierwszym, I trzecim i szóstym skrzyżowaniu zastosujemy ostrą selekcję co do właściwej cechy. W każdym razie przekrzyżowanie z uszlachetnioną odmianą należy powtarzać tak długo, aż wyeliminuje się cechy niekorzystne, wniesione przez odmianę prymitywną, : oczywiście oprócz pożądanej cechy odpornościowej.

Do zalet metody krzyżowania wstecznego należą:

1. możliwość osiągnięcia efektu hodowlanego stosunkowo w krótkim czasie, zwłaszcza przy rozmnażaniu roślin w szklarni i uzyskiwaniu kilku pokoleń rocznie;
2. liczebność materiałów hodowlanych nie musi być tak duża, jak w zwykłej hodowli krzyżówkowej;
3. można utrzymać w typie jakąś wartościową odmianę hodowlaną, wprowadzając do niej zmiany minimalne, ale decydujące o wyższej jej "wartości.

Ujemną stroną tej metody jest fakt, że w ten sposób nie można zwiększyć podstawowej potencjalnej wydajności z jednoczesnym wprowadzeniem jakiejś niezbędnej nowej cechy, np. odporności. Dlatego też metodę krzyżowania wstecznego należy uznać jako bardzo ważną na pewnym etapie znacznie szerszego, ogólnego programu hodowli krzyżówkowej.

---

Fragment: Hodowla roślin : podręcznik dla techników hodowli roślin i nasiennictwa Państ. Wydaw. Rolnicze i Leśne :1985