Ziemniak Polski 2009 nr 3
HODOWLA MUTACYJNA
HODOWLA MUTACYJNA
JAKO ELEMENT WSPIERAJĄCY
JAKO ELEMENT WSPIERAJĄCY
TRAD
TRADYCYJNĄ HODOWLĘ
CYJNĄ HODOWLĘ
mgr inż. Dorota Milczarek
IHAR, Zakład Genetyki i Materiałów Wyjściowych Ziemniaka w Młochowie 05-831 Młochów, e-mail: d.milczarek@ihar.edu.pl
odowla mutacyjna polega na sztucz-nym wywoływaniu trwałych zmian w obrębie genomu, przy użyciu różnych środków mutagennych, a następnie ich bez-pośrednim lub bez-pośrednim (poprzez krzyżo-wanie) wykorzystaniu w hodowli. Uzyskane mutacje mogą być bezpośrednio użyte do wyhodowania nowych odmian, zwłaszcza ro-ślin uprawnych rozmnażanych wegetatyw-nie, do których należy ziemniak.
H
Wiele mutacji spontanicznych odkrytych w przyrodzie lub w odmianach handlowych wykorzystano w hodowli roślin jako materiał wyjściowy do krzyżowań lub też posłużyły one bezpośrednio do wyhodowania nowych odmian. Mutacje spontaniczne są cennym źródłem zmienności, jednak częstotliwość ich występowania jest dla hodowców niewy-starczająca. Zlokalizowanie w warunkach naturalnych korzystnej mutacji jest najczę-ściej dziełem przypadku, a zatem poszuki-wanie użytecznych mutantów spontanicz-nych ze względu na duży nakład pracy, a także niską efektywność oraz czasochłon-ność jest nieekonomiczne.
Zmiany mutacyjne nigdy nie wykraczają poza zbiór cech dostępnych w ramach dane-go gatunku. Hodowla mutacyjna pozwala jednak na rozszerzenie zmienności gene-tycznej po wyczerpaniu możliwości wprowa-dzenia pożądanego układu genów na drodze krzyżowania, co jest jednym z najkorzystniej-szych osiągnięć hodowli mutacyjnej.
W porównaniu z innymi nowoczesnymi metodami hodowlanymi indukowana muta-geneza jest prostsza i tańsza, a w stosunku do tradycyjnego krzyżowania zajmuje mniej
czasu i miejsca. Zmienność spowodowaną mutacjami widać już w pierwszym pokoleniu wegetacyjnym i jest ona powtarzalna u roślin rozmnażanych wegetatywnie. Istnieją rów-nież metody biotechnologiczne, które pozwa-lają na wczesną ocenę mutantów już na eta-pie mikrosadzonki. Dzięki zastosowaniu in-dukowanej mutagenezy, w połączeniu z re-generacją w kulturach tkankowych, można znacznie skrócić czas potrzebny do uzyska-nia nowej odmiany (Broertjes, Van Harten 1988).
Do podstawowych zasad prowadzenia hodowli mutacyjnej należą:
•
dobór możliwie najbardziej licznego mate-riału roślinnego (należy brać pod uwagę bar-dzo dużą śmiertelność, zwłaszcza w pierw-szym pokoleniu – M1);•
dobór materiału wyjściowego o możliwie najwyższych walorach ogólnych, wymagają-cego poprawy jedynie określonej cechy, któ-rej wprowadzenie innymi, alternatywnymi metodami jest niemożliwe lub nieopłacalne ze względów ekonomicznych;•
stosowanie środka mutagennego najlepiej dobranego dla osiągnięcia konkretnego celu – wstępnie przetestowanego oraz o ustalo-nej optymalustalo-nej dawce (Packa i in. 2002).Do indukowania mutacji stosuje się muta-geny fizyczne i chemiczne. Wśród czynników fizycznych można wyróżnić ultrafiolet (UV), fale elektromagnetyczne (promieniowanie gamma i X) oraz tzw. ruchome cząstki (a, b i neutrony). Najczęściej stosowane jest pro-mieniowanie gamma, X oraz UV (Waugh i in. 2006).
Ziemniak Polski 2009 nr 3 Wiele jest również związków chemicznych
wywołujących zmiany w strukturze DNA. Za-liczamy do nich: analogi zasad – związki, które w trakcie syntezy DNA zastępują zasa-dy azotowe, czynniki deaminujące – związki usuwające grupę aminową z zasad azoto-wych, alkilujące – związki dołączające grupy alkilowe do zasad azotowych, oraz interkalu-jące – rozsuwainterkalu-jące helisę DNA. Do najczę-ściej stosowanych w mutagenezie roślin związków chemicznych można zaliczyć siar-czan etylowo-metylowy (EMS), siarsiar-czan ety-lowo-etylowy (DES) oraz azydek sodu (AS) (Waugh i in. 2006).
Mutageny fizyczne i chemiczne różnią się zakresem działania. W wyniku zastosowania środków chemicznych powstaje większy od-setek pożądanych mutacji punktowych niż przy zastosowaniu czynników fizycznych. Środki chemiczne mają jednak w porówna-niu z fizycznymi mniejszą siłę penetracji, po-wodują mniejszą powtarzalność wyników oraz ich przewidywalność (Heyward i in. 1994).
Są jeszcze inne problemy, jakie napotyka na swojej drodze hodowla mutacyjna. Głów-ny to mała częstość występowania korzyst-nych mutacji. Większość otrzymywakorzyst-nych mutacji jest na ogół nieprzydatna w hodowli, często też powoduje śmierć rośliny. W przy-padku ekspozycji organów wegetatywnych roślin na działanie czynników mutagennych istnieje duże prawdopodobieństwo otrzyma-nia chimery, czyli organizmu złożonego z ko-mórek różniących się genetycznie. Procedu-ra przekształcania takich mieszańców w mu-tanty o jednorodnej budowie tkanek jest skomplikowana, rozciągnięta w czasie i pra-cochłonna (Broertjes, Van Harten 1988). Poza tym istnieje trudność wyselekcjonowa-nia pożądanych genotypów z bardzo licz-nych populacji. Otrzymane mutanty wymaga-ją również odpowiedniego testowania, ponie-waż nigdy nie wiadomo, czy w wyniku muta-cji powstała tylko jedna – odnotowana przez nas – zmiana (Heyward i in. 1994).
Pomimo wszystkich wymienionych trud-ności techniki mutacyjne znajdują szerokie zastosowanie w hodowli, ponieważ są tanie, proste w wykonaniu, możliwe do zastosowa-nia dla wszystkich gatunków oraz w mniej-szym lub więkmniej-szym stopniu użyteczne (Waugh i in. 2006).
Wiele odmian roślin uprawnych uzyskano, wykorzystując w hodowli mutacje (FAO/IAEA 1991). Obecnie w bazie danych IAEA/FAO Database of Mutant Variety and Genetic Stocks – MVGS [http://mvgs.iaea.org/] zare-jestrowane są 2793 odmiany roślin upraw-nych pochodzenia mutacyjnego, lecz tylko sześć z nich należy do gatunku Solanum
tu-berosum: White Baron, Jagakids Purple,
Sarme, Desital, Konkei No.45 oraz Mariline 2. Są to odmiany charakteryzujące się pod-wyższonym plonem, zmienionym kolorem skórki, małą podatnością na ciemnienie miąższu, a jedna z nich – Jagakids Purple – przeznaczeniem dla browarnictwa.
Powodem tak niewielkiego wykorzystania zmienności mutacyjnej w hodowli ziemniaka jest to, że hodowcy mają do dyspozycji sze-roki zakres źródeł poszukiwanej zmienności genetycznej w postaci form diploidalnych, dzikich gatunków i istniejących już odmian, podczas gdy techniki mutacyjne znajdują za-stosowanie raczej dla gatunków o ograniczo-nej zmienności w dostępograniczo-nej puli genowej. Ponadto większość dotychczas zidentyfiko-wanych mutacji ziemniaka nie wnosiła cech wartościowych gospodarczo, stanowiąc ra-czej materiał badawczy do prześledzenia szlaków biosyntezy poszczególnych związ-ków oraz procesów fizjologicznych zacho-dzących w roślinie (Klee, Estelle 1991).
Mutacje zidentyfikowane w ziemniaku do-tyczyły między innymi budowy liści. „Kostro-ma mutant” charakteryzował się liśćmi o wy-dłużonych ogonkach i większymi wcięciami blaszki liściowej (Asseyeva 1927). „Voro-nesh mutant” posiadał liście silnie pokryte włoskami (Asseyeva 1927). Uzyskiwano również mutacje barwne. Mutacja genu s, biorącego udział w biosyntezie chlorofilu, za-owocowała powstawaniem fenotypów albino-tycznych – z częściowo białymi liśćmi i łody-gami (Bradshaw, Mackay 1994). Istnieje również mutant pp pozbawiony całkowicie barwników antocyjanowych (Bamberg i in. 2006).
Mutacje barwne dotyczyły również bulw. Przykładem może być popularna w Rosji w latach dwudziestych ubiegłego wieku odmia-na Bovinia, charakteryzująca się bulwami o cętkowanej skórce – z czerwonymi plamami przy oczkach, czy Merveille d'Amerique wy-twarzająca czerwone bulwy z jasnymi oczka-2
Ziemniak Polski 2009 nr 3 mi. Odmiany te wykazywały jednak
nieko-rzystne cechy organizmów chimeralnych (Asseyeva 1927), a dwubarwną skórkę moż-na uzyskać również moż-na drodze krzyżowania, czego przykładem są obecnie istniejące od-miany takie jak Smile czy Picasso.
W ziemniaku zidentyfikowano również mutacje wpływające na skład chemiczny oraz powodujące zmiany fizjologiczne w ro-ślinach. Przykładem może być mutant
Dro-opy nie syntetyzujący kwasu
abscysynowe-go (ABA), co powoduje niekontrolowaną transpirację z liści oraz zaburzenia procesu spoczynku bulw (Jong i in. 2001). W meksy-kańskiej odmianie Atzimba znaleziono mę-skosterylnego mutanta sy4 (Iwanaga 1984). Mutant ga1 charakteryzuje się natomiast brakiem syntezy gibereliny, co daje efekt fe-notypowy w postaci rozetkowatej naci (Vega i in. 2006). Zidentyfikowano również sponta-nicznie tuberyzującego mutanta ST, który wytwarza bulwy niezależnie od sygnałów fo-toperiodycznych czy koncentracji giberelin (Fischer i in. 2008).
Trwają prace nad wykorzystaniem w ho-dowli ziemniaka mutanta amf (magazynują-cego w bulwach skrobię bezamylozową). Przeprowadzone dotąd badania wykazały, że jego klony mają cechy organizmów chi-meralnych (Jacobsen i in. 1992). Korzystając z klonu tego mutanta, stworzono konstrukt genowy, który może posłużyć do transforma-cji genetycznych mających na celu uzyska-nie ziemniaków wytwarzających bezamylo-zową skrobię (Visser i in. 2003).
Zainteresowanie hodowców ziemniaka wykorzystaniem mutagenezy indukowanej stopniowo zmalało, ponieważ większość uzyskiwanych w ten sposób form nie miało wartości hodowlanej. Obecnie prowadzone prace mają raczej charakter poznawczy i uzyskane mutacje wykorzystuje się do ba-dań z dziedziny fizjologii i biochemii. W ho-dowli ziemniaka hodowla mutacyjna pozo-staje więc marginalnym uzupełnieniem in-nych metod hodowlain-nych.
Literatura
1. Asseyeva T. 1927. Bud mutations in the potato and
their chimerical nature. – J. Genet. 19: 1-28; 2.
Bam-berg J., Fernandez C., Rio A. 2006. A new wild
potato mutant in Solanum stoloniferum Schltdl. lacking purple pigment. – Am. J. Potato Res. 83: 437-445;
3. Bradshaw J. U. E., Mackay G. R. 1994. Potato
ge-netics. Cab International, Cambridge; 4. Broertjes C.,
Van Harten A. M. 1988. Applied Mutation Breeding for
Vegetatvely Propagated Crops. Elsevier, Amsterdam;
5. FAO/IAEA 1991. Plant mutation breeding for crop
improvement. – Proc. Symp. Vienna, 1990. IAEA Vi-enna; 6. Fischer L., Lipavska H., Hausman J.,
Opatrny Z. 2008. Morphological and molecular cha-
racterization of a spontaneously tuberizing potato mutant: an insight into the regulatory mechanisms of tuber induction. – Plant Biology 8:117; 7. Heyward M.
D., Bosemark N. O., Romagosa I. 1994. Plant
breed-ing. Chapman & Hall London; 8. Iwanaga M. 1984. Discovery of a synaptic mutant in potato haploids and its usefulness for potato breeding. – Theor. Appl. Genet. 68: 87-93; 9. Jacobsen E., Flipse E., Kuipers
A. J., Pereira A., Visser R. G. F. 1992. Manipulation
of starch biosynthesis in potato and its implications for breeding. – Proc. Joint Conf. EAPR Breed. and Variet-al Assessment Sec. and the EUCARPIA Potato Sec. Landerneau, France, 12-17 January 1992; 10. Jong H.
D., Kawchuk L. M., Coleman W. K., Verhaeghe C. A., Russell L., Burns V. J., Tremblay-Deveau E. 2001. Development and characterization of an adapted
form of Droopy, a diploid potato mutant deficient in ab-scisic acid. – Am. J. Potato Res. 78: 279-290;
11. Klee H., Estelle M. 1991. Molecular genetic
aproaches to plant hormone biology. – Ann. Rev. Plant Phys. Plant Mol. Biol. 42: 529-551; 12. Packa D.,
Ku-raczyk A., Tworkowski J. Podstawy hodowli
jęczmie-nia (Hordeum vulgare L. 2n=2x=14). [In:] Eurequa Homepage [online]. 28.03.2002 [dostęp 8.12.2008]. – www.eurequa.pl/pl/I.4.htm; 13. Vega S. E., Bamberg
J. B., Palta J. P. 2006. Gibberellin-deficient dwarfs in
potato vary in exogenous GA3 response when the ga 1 allele is in different genetic backgrounds. – Am. J. Potato Res. 85: 357-363; 14. Visser R. G. F.,
Jacob-sen E., Feenstra W. J. 2003. Potato plant producing
essentially amylose-free starch. United States Patent 6600093; 15. Waugh R., Leader D. J., McCallum N.,
Caldwell D. 2006. Harvesting the potential of induced
biological diversity. – Trends Plant Sci 11: 71-79
