Ameliorarea Germoplasmei de Porumb Pentru Toleranta la Seceta Si Arsita

În zonele de câmpie din sudul, estul și vestul țării, unul dintre cele mai importante obiective este ameliorarea pentru rezistență sau toleranță la secetă și arșiță. Rezistența la secetă dobândită prin ameliorare este valabilă numai pentru condițiile climatice pentru care s-a făcut selecția. De aceea, specificul secetelor trebuie să fie bine cunoscut. În sudul țării secetele se caracterizează prin frecvență, durată și intensitate sporite, determinând pierderi mari de producție; în aceste zone, 44-50% din ani sunt secetoși; în zilele de secetă și arșiță, temperaturile depășesc 32°C și umiditatea atmosferică scade sub 30%.

Frecvența cea mai mare a secetelor are loc în lunile iulie, august și septembrie. Pentru porumb sunt mai păgubitoare secetele din iulie și august, deoarece coincid cu o perioadă critică pentru apă, când are loc apariția organelor de reproducere, fecundarea, formarea și umplerea boabelor (COSMIN și colab., 1978). Fluctuațiile întâmplătoare ale cantităților de precipitații căzute determină frecvența și intensitatea la fel de aleatoare a secetelor. După MITU și colab. (1999), la S.C.A. Teleorman, în perioada 1989-1998, coeficienții de variație a precipitațiilor lunare au fost foarte ridicați. În septembrie, 101%, în iulie 91%, în aprilie 75% și în august 54%. De aceea, pentru a crește producțiile de porumb în sudul țării, este necesară atât combaterea secetei prin mijloace specifice, cât și cultivarea unor hibrizi mai timpurii și mai toleranți la secetă. Secetă și arșița sunt fenomene complexe, de aceea, răspunsul plantelor la acțiunea lor este variat. TATUM , TROYER , COSMIN și colab., (1998) au prezentat și au descris 5 forme de manifestare a plantelor afectate de secetă și arșiță, utile pentru aprecierea rezistenței la secetă a materialului supus ameliorării dintre care:

a) ofilirea și uscarea paniculului și a frunzelor din partea superioară a plantei. Fenomenul este provocat de temperatură, seceta având un efect favoraizant. După TROYER, la început ofilirea și răsucirea frunzelor poate constitui un mijloc de apărare al plantei prin diminuarea transpirației;

uscarea frunzelor de la bază spre vârf este determinată de secetă solului, asociată cu lipsa de azot. Din păcate, genotipurile fără (sau cu puține) frunze uscate nu dau garanția unor producții normale, pentru că deseori nu formează știuleți, dar este o certitudine că plantele cu multe frunze uscate nu pot da producții mari din cauza capacității fotosintetice reduse.

c) acoperirea parțială a știuletelui cu boabe, determinată de secetă și arșiță, semnalată de numeroși autori (MITU și colab., 1989, 1994; SETTER și colab., 2001) contribuie la scăderea producției.

d)frecvența ridicată a plantelor sterile este cauzată fie de avortarea mugurilor axilari, fie de eșuarea completă a polenizării stigmatelor, datorită decalajului la înflorit. Fenomenul se manifestă ca în cazul densităților prea mari, determinând frecvent o scădere semnificativă a producțiilor.

Oprirea din creștere a plantelor urmată de uscarea frunzelor și apoi moartea plantelor, sunt consecințe ale secetelor timpurii și prelungite, care depășesc capacitatea de supraviețuire a plantelor.

,,Când vine vorba de toleranța la secetă, (Schussler) înțelegerea trăsăturilor caracteristice individuale care lucrează împreuna pentru a proteja planta împotriva pierderilor de recoltă în condiții de stres, este un prim pas important”.

Monitorizarea și administrarea stresului la polenizare și la umplerea boabelor

Cercetătorii sunt canalizați pe stresul la secetă din perioada polenizării și la umplera bobului, reprezentând ținte principale pentru dezvoltarea trăsăturilor de toleranță la secetă. În timpul polenizării, nevoia de apă a plantei este foarte mare, mai ales pentru creșterea mătăsii, germinarea polenului și creșterea tubului polenic. În condiții de secetă, apariția mătăsii poate fi întârziată în comparație cu apariția polenului. Dacă întârzierea este de mai multe zile, cantitatea de polen poate fi limitată la apariția mătăsii, rezultând o polenizare incompletă și un număr redus de boabe. Deoarece ultima mătase care apare este din vârful știuletelui, pot apărea știuleți cu puține sau fără boabe în vârf. Secetă și temperaturile înalte pot conduce la desicarea mătăsii cauzând o germinare săracă a polenului, creștere necorespunzătoare a tubului polenic care pot duce la un număr redus de boabe.

În afară de afectarea procesului de polenizare, seceta manifestată în perioadele timpurii de reproducere poate duce la avorturi de boabe. Boabele din vârf, cele mai tinere și distanțate de bază sunt cele mai susceptibile avortului. Boabele sunt susceptibile în primele două săptămâni după polenizare. La apariția secetei severe, datorită relației critice între umiditate – polenizare- dezvoltarea timpurie a boabelor, pierderle de recoltă pot fi mari.

Stresul la secetă și stadiile de umplere a bobului în această perioadă duc la pierderi de recoltă mai degrabă datorită scăderii mărimii boabelor decât scăderea numărului lor. Seceta reduce rata fotosintezei în plantă rezultând o asimilare scăzută a ,,producției” și poate accelera apariția punctului negru în boabe, închizând procesul de depozitare al amidonului.

Scăderi de recoltă masive pot apărea când seceta este severă și duce la moartea frunzelor sau a întregii plante. În final, seceta produce putreziri ale tulpinii (fusarium, giberella) care reduc recolta. Cercetătorii estimează că stresul la secetă produs în timpul umplerii boabelor poate cauza pierderi de recoltă foarte mari.

Metode de examinare și notare a rezistenței la secetă și arșiță.

Determinarea însușirilor de rezistență la secetă se poate realiza prin metode directe și indirecte (Porumbul, Studiu monografic, 2004).

Metode directe-constau în urmărirea directă a comportării plantelor de porumb în condiții de secetă sau densitate marita raportată la unitatea de suprafață. Prin folosirea de densități diferite se creează nivele diferite de stres hidric.

Testarea germoplasmei de porumb în cadrul unei rețele largi de localități în condiții de secetă și irigare reprezintă o metodă forțe mult folosită în programele de ameliorare.

O altă metodă directă este creșterea plantelor în condiții controlate (sera sau case de vegetație) cu scopul inducerii condițiilor nefavorabile controlate (secetă și arșiță)într-o anumită prioada de vegetație și pe o durată de timp bine determinata și urmărirea revenirii la normal.

În condiții de câmp, aprecierea rezistenței la seceta se face după următoarele însușiri: ofilirea plantei (fenomen ce poate fi apreciat vizual cu note), răsucirea frunzelor, uscarea parților aeriene ale plantelor de porumb (panicul și frunzele timere).

Notele acordate sunt de la 1 la 9, unde 1 reprezintă variantele sensibile și 9 cale rezistente. Pentru valori intermediare sunt acordate note între 4 și 5.

Notarea apariției paniculului, datei de înflorit și mătăsit se face o dată la două zile. Se considera că înflorit un panicul care are cel puțin axul principal și câteva ramuri secundare. Se notează data mătăsitului atunci când mai mult de 50% din plantele analizate au stigmatede de cel puțin 2 cm lungime.

În cazul sistemului radicular, se vor face aprecieri în diferite faze de vegetație pentru a stabili legătura între dezvoltarea rădăcinilor, dezvoltarea părților aeriene și rezistența la secetă.

Adâncimea de străbatere a rădăcinilor reprezintă un indiciu pentru rezistența la secetă (genotipurile tolerante la seceta au sistemul radicular foarte dezvoltat).

Perozitatea frunzei și cantitatea de ceară cuticulara se pot determina prin metode specifice.

Procentul de apă reținut de frunze reprezintă un indicativ pentru determinarea tolerantei plantelor la secetă. Pentru determinarea capacității de reținere a apei în frunză, se vor lua probe cu frunze turgescente. Acestea se vor cântări iar procentul de apă reținut este calculat că fiind diferența dintre greutatea inițială și finală a probei analizate.

Procentul de plante sterile se determina la recoltare prin numărători la plante și se raportează la numărul de plante recoltabile pe parcela anazilata.

Un criteriu important pentru aprecierea tolerantei la secetă și arșița îl reprezintă producția de boabe.

Metode indirecte. În cadrul metodelor indirecte, aprecierea pentru toleranță la secete și arșița se face din punct de vedere fiziologic și este strâns legată de regimul hidric al plantelor.

Metodele folosite sunt următoarele: stabilitatea membranelor celulare în condiții de stres hidric și termic, germinarea semințelor în soluții osmotice, creșterea plantelor în soluție de polietilen glycol (PEG).Pentru metoda analizei creșterii plăntuțelor în polietilen glicol se va face aprecieri vizuale asupra frunzelor cu privire la ritmul de îmbătrânire, vestejire sau de încetare a creșterii.

Metode pentru ameliorarea porumbului la secetă și arșiță

Metode de selecție

1.Selecția recurentă poate fi folosită pentru extragerea unei linii sau pentru sporirea unui caracter. Prin combinarea diferitelor surse de variație, producția și ănsușirile secundare sunt îmbunătățite generând un număr mare de combinații (Hallauer & Miranda 1981, Pandey și Gardner 1992).

Pentru extragerea liniilor este necesară selecția pedigree-ului în cadrul numeroaselor cicluri de selecție recurentă-metoda lentă în comparație cu dezvoltarea liniilor din populațiile F2 elită.

2.Selecția pedigree-ului (din populațiile elită din generația F2) reprezintă ,,motorul” ameliorării porumbului pentru tolerantă la secetă (Hallauer & Miranda 1981).

Selecția pedigree=selecție recurentă în cadrul căreia se fac cicluri de selecție pe mai mulți ani și alegerea diverselor grupe de germoplasmă. În cadrul programelor de ameliorare pentru rezistența la secetă, pentru extragerea liniilor prin selecția pedigree, se va experimenta prin supunerea genotipurilor la stresurile hidrice și termice (populațiile F2 se vor supune la condiții de stres pentru sincronizarea florală).

Resursele pentru experimentarea corectă a acestei metode sunt de multe ori limitate dar se pot compensa prin management corespunzător, analizarea exactă a condițiilor de mediu pentru determinarea apariției secetei și printr-o așezare optimă a experiențelor (Bänziger 2000).

3.Selecția divergentă are ca scop dezvoltarea fenotipurilor contrastante pentru scopul descoperirii și media caracterelor secundare ale plantelor luate individual. Nu au fost înregistrate studii care demonstrează eficiența ameliorării pentru un potențial de producție ridicat în comparație cu producția în condiții de secetă în cadrul condițiilor de mediu stabile (Barker 2005).

4.Ameliorarea moleculară:

Pionierii markerilor molecular au fost Sax (1923) și Thoday (1961) cu cercetări asupra soiurilor de fasole și Drosophila cu scopul identificării unor asocieri între markeri simpli ereditari și însușirile cantitative moștenite.

Clasificarea și caracteristicile markerilor moleculari

Markerii genetici reprezintă forme diferite ale aceleiași gene care controlează expresii fenotipice mutante și permit identificarea prezenței unei gene la nivel individual. Markerii genetici se bazează pe polimorfismul genei la nivelul expresiei fenotipice în relație cu condițiile de mediu. Există trei tipuri de markeri genetici: morfologici , biochimici și moleculari Markerii moleculari sunt cei mai utilizați datorită numărului lor nelimitat, aceștia provenind din diferite tipuri de mutații ale ADN-ului: substituții (mutații punctiforme), rearanjamente (inserții sau deleții) sau erori în replicarea ADN-ului în tandem. Acești markeri sunt neutrii deoarece sunt localizați în regiuni necodate a ADN-ului, de asemenea, markerii moleculari sunt practic în număr nelimitat și nu sunt influențați de condițiile de mediu sau de stadiul de dezvoltare al plantelor.

Aplicațiile markerilor moleculari în ameliorarea plantelor. În ameliorarea convențională, rezultatele și viteza de răspuns obținute prin aplicarea selecției fenotipice au depins, pe lângă alți factori, de posibilitatea de a distinge și capitaliza variațiile genetice ținând cont de faptul că cele mai importante caractere sunt poligenice și deci puternic influențate de mediu. Între modalitățile folosite, de mare interes s-a dovedit posibilitatea de a identifica caractere fenotipice evidente, cu determinism genetic simplu și puțin influențate de mediu, care să fie asociate cu caractere importante urmărite de ameliorator. Aceste caractere, numite gene marcatoare sau markeri genetici, au fost folosite de ameliorarea convențională acolo unde a fost posibil, pentru a îmbunătății eficiența programelor de ameliorare. Identificarea unei noi clase de markeri genetici, respectiv a markerilor moleculari, reprezintă un adevărat eveniment revoluționar în metodologia de ameliorare a plantelor. Strategia utilizării markerilor moleculari se bazează pe evidențierea polimorfismului molecular, polimorfism care la genomurile plantelor este datorat, în mare parte, variației cantității de ADN repetitiv. Cele mai importante aplicații ale markerilor moleculari în ameliorarea plantelor sunt reprezentate de selecția asistată de markeri, accelerarea backcrossului, detectarea diversității și diferențelor genetice dintre diferite populații.

Selecția asistată de markeri

Markerii moleculari care sunt strâns linkați cu gene importante în sens agronomic sunt folosiți ca instrumente moleculare pentru selecția asistată de markeri în ameliorarea plantelor. Cu ajutorul markerilor moleculari se urmărește efectuarea unei selecții indirecte a caracterelor de interes folosind strânsa legatură (linkage-ul) dintre gena sau genele care controlează caracterul și un marker molecular, metodă ce poartă numele de selecție asistată de markeri (MAS – [NUME_REDACTAT] Selection).

Selecția asistată de markeri constă în identificarea unei legaturi strânse între genele care controlează caractere agronomice și markeri moleculari, precum și utilizarea acestor markeri pentru a îmbunătați linii sau cultivare. Genele sunt moștenite împreună, iar prin prezența uneia (gena marker, la care este cunoscută secvența de nucleotide) se confirmă că și cealaltă genă ce determină caracterul dorit este prezentă în acel individ.

Pentru înțelegerea genomului porumbului, este necesară înțelegerea relației dintre genotip și fenotip pentru transpunerea de cunoștințe pentru îmbunătățirea genetică a însușirilor complexe de interes cum este rezistența la secetă.

Prin identificarea și managementul genelor, ameliorarea moleculară poate mări selecția pentru controlul relativ a însușirilor ereditare. Însușirile cantitative complexe primează pe termen lung iar genele și interacțiunile genice facilitează dezvoltarea acestor însușiri.

De-a lungul timpului, analiza QTL a fost limitată de indisponibilitatea markerilor genetici, efectele pleiotropice și de natură recesivă.

Pentru hibrizii de porumb comerciali, ameliorarea moleculară este reprezentativă mai ales pentru îmbunătățirea rezistenței la secetă.

În ziua de astăzi sunt disponibile harți genetice complete pentru unele specii cultivate și sălbatice fiind cunoscute ordinea locilor în grupurile linkage și distanțele de recombinare relative dintre acestea.