Palabras claves: Mejoramiento-genético, reproducción-selectiva, árboles, Populus

Transcripción

1 Reproducción Selectiva de Especies Forestales de Rápido Crecimiento Con énfasis en el género Populus por FRANCISCO ZAMUDIO A. (PHD) ( fzamudio@pehuenche.utalca.cl ) y FERNANDO GUERRA G. (fguerra@pehuenche.utalca.cl) Facultad de Ciencias Forestal 2 Norte 685, Talca. Chile Fono: Fax: / Talca, Junio de 2002 Palabras claves: Mejoramiento-genético, reproducción-selectiva, árboles, Populus 1

2 Contenidos Capítulo 1 - Introducción 4 Capítulo 2 - Generalidades del género Populus 8 Capítulo 3 - Información necesaria para desarrollar una estrategia de mejoramiento genético Objetivo Variación genética Biología de las especies 19 Capítulo 4 - Métodos de mejoramiento y selección Selección masal mejoramiento por retrocruzamientos generación de variedades híbridas selección recurrente Selección recurrente simple (SRS) Selección recurrente para capacidad combinatoria general (SR-CCG) Selección recurrente para capacidad combinatoria específica (SR-CCE) Selección recurrente recíproca (SRR) La importancia del tiempo Secuencia lógica y práctica en el establecimiento de ensayos de progenie tipos de selección asociados a los métodos Selección tipo masal o individual 38 2

3 4.6.2 Selección tipo familiar Selección tipo ensayo de progenie Selección tipo dentro de familia Selección tipo entre familias más selección dentro de familias selección para varios caracteres Selección en tandem Selección independiente Indice de selección 42 Capítulo 5 - Tipos de poblaciones población base población reproductora población de producción 46 Capítulo 6 - Estrategias de selección y reproducción para el álamo reproducción y selección clonal reproducción selectiva de generaciones múltiples interacción genotipo - ambiente sistemas de manejo de una población reproductiva de álamos Sistema de reproducción de población simple Sistema de reproducción de poblaciones múltiples Sistema de reproducción selectiva de poblaciones replicadas 59 Capítulo 7 - Selección clonal 61 Bibliografía citada 65 3

4 Capítulo 1 INTRODUCCIÓN El mejoramiento genético de árboles forestales tiene un rol primordial en el manejo forestal porque contribuye al aumento de la productividad, lo cual significa un suplemento a los beneficios derivados de las prácticas silviculturales, tales como podas y raleos, así como del mejoramiento del sitio y de la calidad ambiental. El mejoramiento genético se realiza mediante la reproducción selectiva de genotipos superiores. Por lo tanto, el propósito del mejoramiento genético es triple: 1. identificar individuos, 2. realizar cruzamientos entre ellos y 3. obtener progenies que generen poblaciones forestales con características superiores a las que presentaban las poblaciones anteriormente establecidas en el mismo sitio. 4

5 Habitualmente, el incremento en productividad de árboles mejorados supera con creces el incremento en costo involucrado en la obtención de la semilla genéticamente mejorada. El mejoramiento asociado a características tales como resistencia a enfermedades y al ataque de insectos, así como algunas propiedades de la madera (densidad de la madera, longitud de fibras y traqueidas, etc.), tiene asociado un fuerte control genético. Esto representa una ventaja puesto que asegura una ganancia genética sostenida en el tiempo. La selección recurrente es el método más común utilizado en la generación de nuevos árboles con características genéticas superiores. Una de las condiciones básicas para su éxito es la presencia de un monto sustancial de variación genética en los caracteres de valor económico que van a ser mejorados. Un ciclo completo de selección, la cual es la unidad básica de cualquier sistema de selección, se muestra en la Figura 1 (según Namkoong et al. 1988). El ciclo básico está compuesto de dos poblaciones, base y seleccionada, y dos actividades, selección y cruzamientos. Este ciclo se repite secuencialmente en el tiempo. El mejorador forestal puede variar las técnicas utilizadas para la selección de genotipos superiores, manipular el número de poblaciones involucradas en cada ciclo y puede tratar el número de ciclos concurrentes en forma distinta. 5

6 Población Próximo ciclo Cruzamientos Selección Población seleccionada Figura 1. Modelo básico de un ciclo completo de selección. (Fuente: Namkoong et al, 1998). Según Zobel y Talbert (1984), existen dos aspectos esenciales para que un programa de mejoramiento genético (PMG) sea exitoso. El primero esta relacionado con la obtención de una ganancia en cantidad y cualidad de los productos deseados tan rápido y tan eficiente como sea posible. Esto se puede obtener a través de la aplicación intensiva de los principios genéticos a los programas forestales operacionales, lo cual resultará en rodales de mejor calidad, mejor adaptados, y de mayor rendimiento. En efecto, la máxima ganancia genética puede ser lograda mediante el uso de unos pocos de los mejores individuos (genotipos elite) para que sirvan como padres y suministren las progenies que serán propagadas y plantadas con fines operacionales. El segundo aspecto esta relacionado con la necesidad de largo plazo de proveer una base genética lo más amplia posible, lo que es esencial para un progreso continuado en el mejoramiento, a través de sucesivas generaciones. 6

7 El desarrollo de estrategias de reproducción selectiva (mejoramiento genético) de generaciones avanzadas no es una ciencia exacta. Una estrategia es dinámica y debe evolucionar y cambiar con el tiempo (White et al 1993). Como fue mencionado por Shelbourne et al (1986): Una estrategia de mejoramiento genético es un plan de batalla que permite asegurar ganancias genéticas cercanas al óptimo, en el corto y largo plazo, enfrente de muchas incertidumbres. Debido a que la intuición y el juicio subjetivo tienen un rol no menor en ello, el desarrollo de la estrategia es correctamente visto como un arte. En este documento se discuten una serie de aspectos relacionados con el diseño y desarrollo de estrategias de mejoramiento genético forestal, con un énfasis en la generación de variedades de álamo con características de interés económico superiores. 7

8 Capítulo 2 GENERALIDADES DEL GÉNERO POPULUS El género Populus comprende cerca de 30 especies y se distribuye ampliamente en Europa, Norte América y Asia (FAO, 1979). Los álamos crecen naturalmente en una diversidad de sitios desde regiones boreales a subtropicales, y desde áreas montañosas hasta riberas de ríos. También pueden formar grandes rodales naturales, como ocurre aún en bosques boreales y a lo largo de valles fluviales. Otras veces, los álamos pueden formar pequeños rodales, hileras o pequeños grupos de árboles (Zsuffa et al, 1996) Este género tiene la capacidad de formar híbridos ínter e intraespecíficos en forma espontanea y controlada, lo cual ha permitido la creación de un alto número de subespecies e híbridos artificiales (Orlovic et al, 1998). Esto ha resultado en una gran variabilidad natural que permite a las especies e híbridos de Populus crecer en una variedad de sitios forestales. Además de su gran adaptabilidad, la cual es significativa para el mejoramiento genético, los álamos se distinguen por su rápido crecimiento y facilidad de propagación (Cain y Ormond, 1984) 8

9 Los álamos han sido útiles al ser humano y han sido cultivados desde tiempos históricos. Ellos pueden crecer en muchos tipos de sitios y sirven como una excelente fuente para un amplio rango de productos obtenibles de su madera, especialmente en zonas temperadas. Los álamos también juegan un rol significativo en la protección ambiental, especialmente en la protección del suelo contra el efecto erosivo del viento y del agua (Zsuffa et al, 1996). Este tipo de árbol de rápido crecimiento puede aumentar la diversidad forestal y enriquecer el paisaje, aumentando con ello la apariencia estética del campo en una variedad de formas. La introducción de variedades de álamo al país se inició con la conquista española del territorio en el siglo XVI. Desde entonces, el álamo ha estado presente en el desarrollo arquitectónico de nuestras ciudades, principalmente a través de su uso como un árbol ornamental. El álamo ha sido también un componente casi esencial del paisaje de nuestros campos y áreas rurales, en donde este tipo de árbol ha sido usado principalmente para proteger cultivos agrícolas del efecto del viento y generar sombra al ganado. Sólo durante el siglo XX se reconoció que el álamo puede ser una fuente interesante de bienes de consumo en Chile. Aunque el uso principal de la madera de álamo en nuestro país ha estado orientado a la producción de unos pocos bienes, de los cuales destaca la elaboración de fósforos. Hoy en día, se está reconociendo que la madera de álamo tiene el potencial de ser usada para obtener bienes que podrían ser destinados a mercados particularmente rigurosos y cuya demanda por productos forestales secundarios o finales de alta calidad es bastante estable en el tiempo. Aquí nos podemos referir al mercado europeo y norte americano. Las condiciones para que el cultivo intensivo de álamo tenga éxito se han ido desarrollando sistemáticamente en los últimos 10 años. Existe un programa nacional de diversificación forestal orientado a aumentar el número de especies forestales que 9

10 conformen el futuro patrimonio económico forestal del país. Además, la Comisión Nacional del Alamo (CNA), desde su creación en 1995, ha venido desarrollando esfuerzos sostenidos para fomentar la forestación con híbridos de álamo. Aquí es necesario enfatizar que existen vastas áreas de la zona centro y sur de Chile (incluso de la IV Región) que presentan condiciones climáticas, de suelo y suministro de agua que permiten el cultivo intensivo de álamo. Además, existe la ventaja que el álamo puede ser manejado en forma de monocultivo o asociado a una diversidad de cultivos agrícolas, en un sistema de manejo agroforestal. Esto último podría significar una fuente extra de ingresos a una gran cantidad de agricultores medianos y pequeños. Dentro de la comunidad forestal en Chile existe la idea ya establecida que el género Populus debiera constituirse en el tercer género forestal de valor económico y estratégico para el país, después de los géneros Pinus y Eucalyptus. Para que esto se materialice resulta fundamental que la diversidad genética del género se incremente significativamente en nuestro país. De esta manera se garantizará el cumplimiento de dos aspectos esenciales para el éxito en el desarrollo de un programa de mejoramiento de toda especie forestal de rápido crecimiento. Estos son: 1. Que la probabilidad de seleccionar híbridos de un valor genético y comercial superior sea alta y la probabilidad que ocurra daños ecológicos y económicos asociados a una reducida base genética sea baja. 2. Que el máximo grado de mejoramiento en la productividad asociado al cultivo intensivo de álamo sea obtenido en un mínimo tiempo posible. Hasta la actualidad, los híbridos de Populus introducidos en Chile han sido generados genéticamente en otros países. Los cruzamientos realizados para obtener los híbridos se realizaron con árboles seleccionados bajo condiciones edafoclimáticas específicas. Es probablemente que estas condiciones ambientales no sean 10

11 exactamente iguales a las condiciones presentes en los sitios donde el cultivo de álamo es posible en Chile, o bien donde los híbridos de álamo ya se encuentran establecidos en el país. Además, es posible que los criterios de selección de los individuos padres usados en la hibridación fueron orientados a lograr objetivos productivos propios de las instituciones que generaron los híbridos. Esta introducción de híbridos al país se ha realizado a pesar de que nuestras condiciones ambientales y nuestros propios objetivos productivos o de manejo forestal pueden ser distintos a los de dichas instituciones. Según algunos expertos, las zonas aptas para introducir álamo en Chile van desde la IV hasta la XI regiones, ambas inclusive, lo cual indiscutiblemente implica la existencia de una amplia variación en las condiciones ambientales (clima y suelo) presentes en aquellos sitios donde el cultivo intensivo de álamo es posible. Esto último justifica entonces que nuestro país tenga su propio programa de hibridación para el genero Populus, puesto que: 1. nos permitirá generar híbridos de crecimiento rápido y particularmente adaptados a condiciones edafoclimáticas específicas de los diferentes sitios donde se establezca álamo en el futuro, o este ya se encuentre establecido; 2. además nos permitirá independizarnos de la "compra obligada" de híbridos genéticamente generados en el extranjero y 3. este programa le daría a Chile la flexibilidad necesaria para poder responder adecuadamente, mediante la generación de nuevos híbridos, a los posibles cambios del mercado forestal, los cuales también obligarían a un cambio en las estrategias productivas ligadas al manejo forestal del Alamo. 11

12 La Facultad de Ciencias Forestales de la está desarrollando un programa de selección genética de híbridos de Populus con características superiores en crecimiento y calidad de la madera. Esto nos ha permitido la interacción con instituciones lideres en el mejoramiento genético de este género, como son la Poplar Molecular Genetics Cooperative (PMGC), de la University of Washington, de Estados Unidos, y el Institute National de la Recherche Agronomique (INRA), de Francia. Uno de los resultados obtenidos de esta relación ha sido el aprendizaje y desarrollo de protocolos para la hibridación de Populus spp. 12

13 Capítulo 3 INFORMACIÓN NECESARIA PARA DESARROLLAR UNA ESTRATÉGIA DE MEJORAMIENTO GENÉTICO La siguiente información es necesaria para desarrollar una estrategia de mejoramiento genético forestal: 1. el objetivo del mejoramiento; 2. el grado y patrón de variación y 3. la biología de la especie 13

14 3.1 Objetivo El propósito del mejoramiento debe ser cuidadosamente considerado y claramente establecido puesto que influirá en los métodos de selección y reproducción utilizados en diversas formas. Ejemplos de objetivos pueden ser: 1. mejorar la producción de madera utilizable para fines estructurales; 2. mejorar el volumen de trozos aserrables o debobinables; 3. incrementar la cantidad y calidad de la pulpa; 4. desarrollar resistencia a enfermedades y plagas; etc. Teóricamente, las opciones disponibles son múltiples, pero en la práctica, sólo se podrá alcanzar un progreso satisfactorio si el programa se concentra en un número reducido de caracteres. Estos deberán ser caracteres con un valor económico importante y que presenten el potencial de ser mejorados mediante una combinación de selección genética y silvicultura. El mejoramiento genético es difícil de justificar y puede ser, incluso, superfluo si algún carácter puede ser fácilmente modificable mediante algún proceso tecnológico alternativo. La elección del (o los) carácter(es) puede que no sea fácil y se requerirá de un estrecho trabajo de equipo antes de tener una clara idea del objetivo del mejoramiento. La discusión estratégica de qué mejorar deberá incluir especialistas en tecnología de la madera, silvicultura, economía y manejo, protección forestal y genética. 14

15 3.2 Variación genética El grado y patrón de variación genética determina el nivel de mejoramiento que es posible alcanzar y como puede ser logrado. Mientras mayor sea la variación genética y mayor el control ejercido por los genes sobre los caracteres de interés, mayor será la posibilidad de obtener un mejoramiento de éstos. La variabilidad genética es compleja, pero su magnitud y tipo pueden ser determinados mediante ensayos genéticos de campo. La variación genética puede ser dividida en los componentes aditivo y no aditivo, de manera que la varianza genética es igual a la varianza aditiva más la varianza no aditiva. En términos más simples, la varianza aditiva se debe al efecto acumulativo de los alelos en todos los loci 1 génicos que influencian un carácter. La varianza genética no aditiva puede ser dividida en dos tipos, de dominancia y de efectos epistáticos. La varianza de dominancia se debe a la interacción de alelos 2 específicos en un locus, mientras que la varianza de epistasis se debe a las interacciones entre loci. Por ahora es suficiente saber que la porción aditiva es la que tiene valor para los programas de mejoramiento genético que se basan principalmente en la propagación por semilla. La variación no aditiva puede ser explotada sólo a través del uso de programas de mejoramiento más especializados que envuelven el desarrollo de cruzamientos intra o interespecíficos, o el uso de propagación vegetativa para la producción comercial de árboles. La mayor parte de las características de valor económico en árboles forestales están bajo algún grado de control genético aditivo. Características tales como la densidad básica, la rectitud de fuste y otras rasgos de calidad en árboles tienen un 1 Loci: (plural de locus) son las distintas posiciones en uno o varios cromosomas en las cuales se encuentran los genes que controlan un carácter en particular. Los genes están formados por secuencias de ADN que codifican para la expresión del carácter. 15

16 componente de varianza aditiva mayor que las características de crecimiento (Burdon y Low 1992). Aunque estos últimos son controlados hasta cierto grado por efectos genéticos aditivos, ellos tienen una considerable varianza no aditiva asociada. Por lo tanto, todo programa de selección y reproducción debe incluir el ensayo de progenies de fenotipos seleccionados para determinar el valor genético real del árbol. La respuesta a la selección de características con considerable varianza no aditiva, tales como crecimiento, es generalmente menos satisfactorio que para las características relacionadas con la calidad de la madera, las cuales están usualmente bajo un control genético aditivo más fuerte (Zobel y Jett 1995). Aunque no ha sido cuantificado en detalles, parece ser que la mayoría de las características de adaptabilidad están fuertemente heredadas de una manera aditiva. Por lo tanto, se puede obtener una excelente ganancia a través del desarrollo de progenies que crezcan adecuadamente en sitios marginales y submarginales. Esto es a través de la selección de aquellos individuos que crecen bien en dichos lugares y del uso de sus semillas para reforestación en áreas con similares características. El caso de la resistencia a pestes involucra tanto la varianza aditiva como no aditiva, dependiendo de la peste y la especie forestal involucrada. 2 alelo: una de varias formas alternativas de un gene que ocupan un locus dado en un cromosoma. 16

17 La naturaleza ha creado la variación necesaria para su uso en un programa de mejoramiento (Figura 2). Según Zobel y Talbert (1984), el mayor objetivo del mejorador forestal es que los cuatro pasos siguientes se cumplan efectivamente: 1. la determinación del monto, tipo y causas de la variación genética dentro de la(s) especie(s) de interés forestal; 2. el empaquetamiento de las características deseadas dentro de nuevos individuos generados mediante cruzamientos selectivos; 3. la producción masiva de estos individuos mejorados con el propósito de establecer plantaciones comerciales o la reforestación con otros fines y 4. desarrollo y mantención de una población genética base lo más amplia posible para satisfacer las necesidades de las generaciones de selección más avanzadas. Figura 2. La fotografía muestra a un álamo (P. trichocarpa) que representa a un individuo con el arreglo genético adecuado para ser incluido en un programa de reproducción selectiva (fotografía es una gentileza del instituto INRA, Francia) 17

18 A medida que los resultados del mejoramiento son alcanzados y los árboles mejorados son obtenidos a través de generaciones sucesivas, los procedimientos y estrategias utilizados para mantener y aprovechar al máximo la variabilidad genética deberán ser inevitablemente más sofisticados y científicamente estructurados, que aquellos utilizadas inicialmente. En los PMG 3 que utilizan la hibridación y/o propagación vegetativa, los cuatro pasos anteriormente señalados aun se mantienen. La ventaja especial de la propagación vegetativa es que el nuevo arreglo genético, o progenie mejorada y obtenida mediante la selección y cruzamiento de árboles selectos, puede ser reproducido muchas veces, y cada copia (propágulo) es genéticamente idéntica a otra. Luego, la variación observada entre copias vegetativas (ramets) del mismo híbrido (ortet) se debe exclusivamente a la variación ambiental (Figura 3). La propagación vegetativa permite una ganancia genética rápida y sustancial porque todos los tipos de variación genética pueden ser capturadas. Cuando el mejoramiento forestal se basa únicamente en la reproducción por semilla, sólo una porción de la variación genética de los árboles usados como padres será pasada a las progenies. La hibridación tiene una ventaja comparativa porque permite la creación de algo enteramente diferente. Esto se produce mediante la recombinación de la variabilidad producida en la naturaleza, la cual esta empacada en un nuevo producto, el árbol híbrido. Luego, la hibridación puede hacer posible crear un árbol con buenas características para: 1. adaptarse a ambientes difíciles, 2. resistir el ataque de pestes y enfermedades, 3. obtener productos específicamente deseados y 3 PMG: programa de mejoramiento genético 18

19 4. obtener una productividad en biomasa y/o madera superior a la registrada por ambos padres. Figura 3. Fotografía obtenida del vivero experimental de álamo establecido por la Universidad de Talca, como parte del proyecto FONDEF D98I1086. Se observa la variación genética presente en el grado de susceptibilidad al ataque de roya, durante la temporada A la izquierda, un híbrido severamente atacado por roya. A la derecha, un híbrido genéticamente diferente y totalmente inmune al ataque del hongo. 3.3 Biología de las especies Finalmente, la biología de las especies debe ser tomada en cuenta. Esto incluye aspectos tales como: 1. Tipo de floración: unisexual o bisexual; 2. Tipo de especie: monoica o dioica; 3. Modo de polinización predominante: autopolinización o polinización cruzada, favorecida por el viento o insectos; 4. Habilidad para realizar injertos y formar raíces, tanto en púas apicales como en estacas obtenidas de ramas; 19

20 5. Edad en la que se obtiene la madurez sexual; 6. Efectividad de la polinización controlada; 7. Presencia o ausencia de los genes que controlan los caracteres de interés en la especie, tales como densidad de la madera, resistencia a enfermedades, etc.; 8. Composición de la varianza genética (principalmente aditiva, o es la varianza no-aditiva también importante?) 20

21 Capítulo 4 MÉTODOS DE MEJORAMIENTO Y SELECCIÓN Las condiciones necesarias para que el mejoramiento genético tenga éxito son dos: 1. la existencia de variación genética en el carácter de interés y 2. la efectividad de escoger los padres adecuados para ser usados en los cruzamientos (Namkoong et al 1988). Las primeras técnicas de mejoramiento genético estuvieron basadas generalmente en la colecta de semilla, originada por polinización abierta, desde árboles padres con buen fenotipo ( árboles plus ). Estos lotes de semillas fueron luego directamente utilizadas para el establecimiento de plantaciones, o más comúnmente fueron establecidas en ensayos de progenie con el objeto de seleccionar aquellos árboles madre que produjeran las mejores descendencias (en ensayos retrospectivos). 21

22 Variantes a estos esquemas se produjeron con la posibilidad de injertar material vegetativo de los árboles plus y establecer los injertos en huertos semilleros clonales. Posteriormente, los huertos semilleros pudieron ser raleados sobre la base del desempeño de las progenies en los ensayos de campo. Luego del raleo selectivo, los huertos pudieron ser utilizados como una fuente de semilla originada de material parental que demostró ser genéticamente superior en los ensayos de progenie. Además del uso de la selección intraespecífica, la generación de híbridos interespecíficos ha sido bastante importante en silvicultura (Fowler, 1978). El uso de híbridos se facilita cuando ellos pueden ser propagados vegetativamente, como es el caso de los álamo en distintas partes del mundo (Stettler et al 1996). Incluso cuando la reproducción por semilla es considerada como prioritaria, los híbridos pueden demostrar ser útiles en programas operacionales, particularmente cuando las plantaciones comerciales deben ser establecidas en condiciones ambientales difíciles. Los métodos de reproducción más importantes usados con especies forestales que pueden ser reproducidas por polinización cruzada son (Shelbourne 1969; Allard 1960): 1. Selección masal, 2. Mejoramiento mediante retrocruzamientos, 3. Generación de variedades híbridas, 4. Selección recurrente 22

23 4.1 Selección masal En este método, los individuos seleccionados generan semilla mediante polinización abierta. La semilla es colectada y mezclada, no es establecida en un ensayo de progenie y es directamente utilizada en el establecimiento de la siguiente generación de plantaciones. La selección está basada solamente en el fenotipo de la madre, puesto que no hay control sobre la polinización y, por lo tanto, el grado de parentesco con los árboles padre. En términos simples, la semilla (de polinización abierta) se colecta en los mejores árboles en el bosque y se usa para establecer las plantaciones desde las cuales, a su debido tiempo, los mejores árboles serán nuevamente seleccionados. La efectividad de este procedimiento está determinada por la heredabilidad 4 del carácter involucrado y la intensidad de selección. Si la heredabilidad es alta, la identificación del genotipo de los árboles madre será precisa y las progenies obtenidas serán notablemente mejoradas. 4.2 mejoramiento por retrocruzamientos Este método es particularmente útil en cultivos agrícolas para transferir genes específicos a una buena variedad que es deficiente en una o unas pocas características. En este método, los retrocruzamientos son hechos con el parental más deseable mientras que la selección se practica respecto de los caracteres transferidos desde el padre/madre donante. 23

24 Las perspectivas para el uso de retrocruzamientos son bastante limitadas con las especies forestales, principalmente porque una sola generación de selección puede variar entre 4 a 20 años. Sin embargo, en especies con maduración sexual temprana, los retrocruzamientos podrían ser aplicados, siempre y cuando el carácter transferido también puede ser evaluado a una edad bastante temprana. 4.3 generación de variedades híbridas Las variedades híbridas dependen para su superioridad del vigor híbrido o heterosis 5 asociada con los híbridos de la generación F 1. Líneas consanguíneas, clones, razas, variedades o incluso especies pueden ser cruzadas para obtener el efecto heterótico. Una vez que la combinación híbrida adecuada ha sido identificada, los genotipos parentales deben ser mantenidos sin cambio, de manera que el mismo híbrido pueda ser producido repetidamente. A su vez, el híbrido obtenido, genéticamente superior a las líneas parentales, puede ser considerado como un producto final, por lo tanto no es conveniente que vuelva a ser utilizado en futuros cruzamientos, ya sea con alguno de los padres o con otro híbrido F 1, de manera que de origen a una progenie F 2. 4 Heredabilidad: la relativa importancia de la herencia en la determinación de los valores fenotípicos particulares de un carácter. Expresa la proporción de la variación total en una población que es atribuible a los efectos promedios de los genes, los cuales generan las diferencias genéticas entre individuos. 5 Heterosis: el fenómeno de mayor capacidad adaptativa, desarrollo y supervivencia de organismos híbridos, particularmente aquellos formados mediante el cruzamiento de líneas altamente consanguíneas. Heterosis es usualmente el reflejo de un incremento en la heterosigosidad, y el incremento en vigor se piensa que se debe al enmascaramiento de alelos recesivos, los cuales son deletéreos en el estado homocigótico. 24

25 Esto se debe a que cualquier nuevo cruzamiento tiene asociada la probabilidad que el arreglo particular de alelos que confieren la heterosis al híbrido con características notables puede ser destruida debido a: 1. la segregación independiente de los alelos, durante la meiosis, y 2. la recombinación aleatoria de los zigotos durante la fecundación. Cruzamientos interespecíficos han sido usados en un número limitado de PMG forestal, como una forma de obtener un mejoramiento genético que no es posible con otros métodos. Esto usualmente toma la forma de una combinación de caracteres útiles de una especie con aquellos de otra. El resultado esperado es que los caracteres tengan, en general, un valor intermedio en el híbrido, así como la presencia de vigor híbrido. La generación de variedades híbridas puede ser desarrollada mediante el sistema de reproducción selectiva de poblaciones múltiples, el cual se discute en la sección 6.3. Un ejemplo gráfico de un ciclo de selección recurrente recíproca para poblaciones reproductivas múltiples se muestra en la Figura selección recurrente La mayor parte de los PMG forestal son diseñados para entregar una ganancia continua a través de varios ciclos de mejoramiento. Los métodos de selección presentados hasta ahora están centrados en el mejoramiento que puede ser obtenido en una generación, pero ellos son también aplicables a programas que involucran varias generaciones. El procedimiento de selección que involucra varios ciclos de selección y cruzamiento es conocida como selección recurrente (Fig. 1). Varios esquemas de selección recurrente han sido diseñados para plantas y animales de manera que se pueda utilizar la capacidad combinatoria general y, en algunos casos, 25

26 la capacidad combinatoria específica. El sistema más utilizado en el mejoramiento genético forestal es la selección recurrente simple, la cual es explicada más abajo. Con este sistema, los PMG comienzan la selección de árboles en rodales naturales o plantaciones sin mejoramiento en base a sus valores fenotípicos. Los árboles seleccionados son luego cruzados y sus progenies son luego establecidas de manera tal que puedan ser usadas como una fuente de selección para la segunda generación de selección. En muchos casos, la selecciones de la segunda generación son hechas en base a valores familiares e individuales (ver sección 4.5). Estas selecciones son luego cruzadas, creando una nueva generación de progenies que pueden ser usadas como una fuente de selecciones para la próxima generación. Este sistema es uno que se repite por si mismo. Las selecciones son hechas en una población base (ver Capítulo 5), cruzadas en una forma determinada, y las progenies resultantes sirven como una población base para la próxima generación de reproducción. Es importante mencionar aquí que cuando se estructuran varios ciclos de selección, un cuidado extremo debe ser puesto en el tipo de resultado esperado, de manera que los recursos genéticos estén disponibles para realizar el programa de selección recurrente en forma exitosa. 26

27 El mejorador forestal debe tener las siguientes dos metas en mente cuando comienza un PMG forestal: 1. obtener el máximo de ganancia genética y en la forma más rápida posible, a través de la selección y producción de semilla mejorada y 2. mantener una base genética grande y lo suficientemente diversa para permitir que el PMG sea exitoso en forma continua por varias generaciones. Shelbourne (1969) realizó una revisión del método de selección recurrente y describió cuatro tipos específicos, dependiendo de la forma en que los individuos con características deseadas son identificados. Estos son: 1. Selección recurrente simple (identificación basada en el fenotipo parental); 2. Selección recurrente para capacidad combinatoria general (basada en el desempeño promedio de cada progenie 6 obtenida del cruzamiento de un árbol madre con varios padres evaluadores); 3. Selección recurrente para capacidad combinatoria específica (basada en el desempeño promedio de cada progenie obtenida del cruzamiento de un árbol madre con un solo padre) y 4. Selección recurrente recíproca. 6 En el contexto de este documento, una progenie se refiere al conjunto de descendientes obtenidos mediante cruzamientos dirigidos o polinización abierta. 27

28 4.4.1 Selección recurrente simple (SRS) Los genotipos deseables son seleccionados en base a su propio fenotipo y son intercruzados sin restricción para producir las poblaciones que serán utilizadas en el segundo ciclo de selección (Fig. 1). Por lo tanto, este proceso es diferente de la selección masal, puesto que tanto el árbol padre como la madre son seleccionados. Ciclos adicionales de selección pueden ser efectuados mientras haya un mejoramiento efectivo. Para una intensidad de selección dada, el mejoramiento genético esperado será el doble que el registrado mediante la selección masal. En el mejoramiento forestal, la selección de árboles plus, su propagación en un HSC 7 y la cosecha de la semilla representa un solo ciclo de SRS. Los propágulos clonales pueden interpolinizarse al azar en el HSC y la semilla producida puede ser usada para establecer plantaciones desde las cuales se efectúe el próximo ciclo de selección. Como no se realizan cruzamientos predeterminados ni tampoco ensayos de progenies, la SRS, al igual que la SM, sólo es eficiente para caracteres con una heredabilidad lo suficientemente alta para realizar selecciones precisas en búsqueda de un genotipo superior a partir de la evaluación fenotípica. Los otros tipos de selección recurrentes son más adecuados para la selección de caracteres con una baja heredabilidad, puesto que ellos involucran el ensayo de cruzamientos para medir la capacidad combinatoria Selección recurrente para capacidad combinatoria general 8 (SR-CCG) Esto involucra el cruzamiento de individuos fenotípicamente seleccionados con un grupo de padres utilizados como evaluadores, los que poseen una base genética 7 HSC: huerto semillero clonal 8 CCG (Capacidad combinatoria general): el desempeño promedio de una progenie o un individuo cuando es cruzado con un número determinado de otros individuos de la población. 28

29 amplia. En el mejoramiento genético forestal, esta práctica puede incluir alguno de los siguientes esquemas de cruzamiento: 1. El cruzamiento de las selecciones con un grupo estándar de individuos evaluadores ; 2. El policruzamiento de individuos selectos con una mezcla de polen de varios individuos selectos (polimix); 3. La colecta de semilla originada de polinización abierta entre los individuos selectos con la población no seleccionada o 4. El uso de rametos vegetativos de los individuos selectos (esto entrega una evaluación adecuada de la CCG de los individuos, asumiendo que los efectos genéticos no aditivos no son muy grande) La medición de los descendientes, luego de ser plantados en un diseño de campo adecuado, entregará promedios del tipo: 1. medio-hermanos, 2. hermanos-completos o 3. clonal, los cuales serán usados para obtener estimaciones de la CCG. Los individuos con los valores más altos de CCG son luego propagados e intercruzados. La semilla originada de estos intercruzamientos es mezclada y usada para formar la población del siguiente ciclo de selección. Este procedimiento corresponde al uso de un HSC con ensayo de progenie, el cual es de uso general en los PMG forestal. Árboles superiores son seleccionados sobre la base de su propio fenotipo en el bosque y propagados vegetativamente en un huerto o banco clonal. 29

30 La semilla es colectada de los árboles parentales selectos luego de efectuar alguna de las siguientes modalidades de cruzamiento en el HSC: 1. polinización abierta, 2. cruzamientos controlados específicos o 3. policruzamientos. El resultado será la generación de familias de medio-hermanos o hermanoscompletos, las cuales son establecidas en los ensayos de campo. La fase de ensayo de progenie implica que los individuos seleccionados son evaluados por su capacidad de generar progenies superiores antes de ser utilizados en huertos semilleros, como productores de la semilla que será utilizada con fines comerciales (Fig. 4) Selección recurrente para capacidad combinatoria específica 9 (SR-CCE) La SR-CCE es posible para aquellas especies en que el mejoramiento ha avanzado a un nivel tal que una o más líneas establecidas o variedades estándar son utilizadas consistentemente como padres, o madres, en un PMG basado en la hibridación intraespecífica. En este sistema de mejoramiento se pretende mejorar la productividad de líneas híbridas mediante el uso de las variedades estándar como evaluadores, los cuales son usados recurrentemente en cruzamientos con las líneas no estándar. Los potenciales padres son seleccionados en base al desempeño de las progenies híbridas. Estos son cruzados entre ellos para producir la próxima generación de padres 9 CCE (Capacidad combinatoria específica): el desempeño promedio de la progenie de un cruzamiento entre dos padres específicos que son diferentes de lo que sería esperado sobre la base de sus capacidades combinatorias generales solamente. Estas pueden ser positivas o negativas. La CCE siempre está referida a un cruzamiento específico y nunca a un padre en particular, por sí mismo. 30

31 potenciales, los cuales serán incluidos en las líneas no estándar. En cualquier generación, los padres selectos, o un subconjunto de ellos, podrán ser usados para la producción de semilla comercial. Este procedimiento también requiere del establecimiento de ensayos de progenie para poder evaluar la efectividad de los cruzamientos (Fig. 4). En condiciones de campo, se cuantifica el desempeño de los árboles incluidos en las líneas no estándar, así como la efectividad de los parentales evaluadores. Población Forestal Muestreo y preselección Intercruzamientos Ensayo de progenie Información Selección Población forestal seleccionada o clones de la población seleccionada Figura 4. Ciclo simple de selección con una fase de ensayo de progenie desarrollado en forma previa al establecimiento de huertos semilleros y la selección final. (Fuente: Namkoong et al 1998). 31

32 Este método debe desarrollarse con el cuidado de no producir poblaciones mejoradas con una base genética muy reducida, lo cual es considerado insatisfactorio para el mejoramiento genético forestal de generaciones avanzadas Selección recurrente recíproca (SRR) Este método ha sido propuesto como un procedimiento útil en la selección simultanea de CCG y CCE. Se requiere dos poblaciones genéticamente heterogéneas (A y B) y, en lo posible, deberían ser genéticamente divergentes, aunque no sexualmente aisladas. Además, deberían tener características tecnológicas y un crecimiento deseables. Un grupo de individuos selectos de la población A es cruzado con un muestra de similar tamaño de la población B. De la misma forma, un grupo selecto de la población B es cruzado con la población A. Los individuos en cada población que muestran la más alta CCG con la otra población, basada en el desempeño de los cruces de ensayo, son luego cruzados entre ellos dentro de la población y los descendientes resultantes de cada población son utilizados para realizar el siguiente ciclo de selección. Las poblaciones desarrolladas mediante varios ciclos de SRR podrían ser cruzadas en cualquier momento y, dependiendo del monto de divergencia en frecuencias génicas y por lo tanto en heterocigosidad obtenida, los híbridos resultantes serán más o menos heteróticos. Este esquema construirá dos poblaciones que son altas en CCG para las características seleccionadas y, si la heterosis interracial existe para características tales como crecimiento, estas poblaciones se tornarán progresivamente más divergentes en sus frecuencias génicas. De esta manera, se alcanzará un máximo de heterosis cuando estas poblaciones son cruzadas. Además, el híbrido obtenido será generalmente intermedio en características entre las dos poblaciones. 32

33 En los PMG que trabajan con especies exóticas de rápido crecimiento, dos razas (procedencias) de una especie, cada una con un buen desempeño pero originarias de partes distantes del rango de distribución natural, pueden ser combinadas para generar un híbrido heterótico o un híbrido que tolerará las condiciones ambientales contrastantes de cada raza. 4.5 La importancia del tiempo Secuencia lógica y práctica en el establecimiento de ensayos de progenie Uno de los aspectos más importantes en un programa de reproducción selectiva de generaciones avanzadas es el TIEMPO. Tomará años hacer la selección, los cruzamientos y el establecimiento de los ensayos de progenie requeridos para obtener el mejoramiento deseado. Cuando los beneficiarios del mejoramiento genético reforestan grandes áreas anualmente, cada año que las plantas sin mejoramiento son usadas para establecer rodales comerciales representa una pérdida en el futuro retorno. Por lo que la fase operacional de un PMG está siempre bajo una fuerte presión para producir retornos tempranos. En todo PMG, el tiempo requerido debe balancear las posibles ganancias tanto en el corto como en el largo plazo. El objetivo clave del mejoramiento genético clásico ha sido obtener el máximo de ganancia por unidad de tiempo. Para la mayor parte de las especies forestales, el tiempo que media entre dos generaciones de selección es extenso, a causa de la larga edad de rotación y los diez o veinte años que generalmente se requieren para obtener una floración abundante. Aunque, corrientemente se realizan esfuerzos para acortar la edad de floración. Resultados llamativos fueron observados por el primer autor en el sudeste de los 33

34 Estados Unidos, donde empresas forestales han desarrollado invernaderos climáticamente controlados. Por ejemplo, algunos de estos resultados muestran que clones de Pinus taeda pueden empezar a producir floración tres meses después de establecidos en el invernadero. Otro factor crítico es la necesidad de evaluar características tan importantes como la tasa de crecimiento, la adaptabilidad, la resistencia a enfermedades y plagas y la forma del árbol a una edad temprana. Generalmente se entiende que, para la mayoría de las especies forestales, no es satisfactorio evaluar las características de crecimiento antes de cumplida la mitad de la rotación (edad de cosecha), aunque ciertas características de la forma, madera, y adaptabilidad pueden ser evaluadas con precisión a una edad temprana. El tiempo requerido en regenerar las masas forestales es una de las limitantes mayores para el desarrollo de un PMG, aunque ciertos atajos se pueden desarrollar. Un buen ejemplo es el establecimiento de huertos semilleros, dentro de la fase operativa de un PMG. El mejor método científico para establecer un HSC que arroje la máxima ganancia en producción es la evaluación cuidadosa de las progenies de árboles parentales selectos a través de ensayos de progenies seguidos por el establecimiento de HSC de producción, desde los cuales la semilla mejorada puede ser obtenida. Esto es lo que habitualmente se entiende como una secuencia lógica para el desarrollo del método de selección recurrente que incluya el establecimiento de HSC y ensayos de progenie (ver sección 4.4.2). La secuencia lógica también está representada por la Fig. 4. Aunque puede entregar la máxima ganancia genética, esta secuencia lógica considera varios años de atraso que incluyen el período requerido para establecer y evaluar los ensayos, lo que incluso puede tomar hasta la mitad del período de rotación forestal para algunas características. Esta pérdida de tiempo, antes que los árboles 34

35 finalmente seleccionados (genéticamente superiores) sean establecidos en los huertos y la semilla este disponible, no puede ser aceptada cuando ésta se necesita inmediatamente para un programa de plantaciones a gran escala. Para superar este inconveniente, la secuencia de etapas involucrada en el método de selección recurrente puede sufrir algunas modificaciones. Normalmente, los mejores fenotipos son seleccionados (árboles plus) e inmediatamente establecidos en el huerto antes que el valor genético de sus genotipos este determinado. Rápidamente después que (o al mismo tiempo que) el HSC se ha establecido con los mejores fenotipos, los ensayos de progenie se pueden establecen para determinar el "valor" genético de los padres usados en el huerto semillero inicial. En cuanto los datos de las progenies son disponibles, el huerto puede ser "depurado" de los padres indeseables (genotípicamente inferiores). Durante el periodo de ensayo, la semilla para plantación que ha sido obtenida en el huerto es considerablemente mejor que la semilla de origen natural, pero no es tan buena como aquella proveniente de un huerto en el que sólo se mantienen aquellos árboles seleccionados que ya demostraron ser genéticamente superiores. A esta alternativa se le puede denominar como secuencia práctica del método de selección recurrente y está gráficamente representada en la Figura 5. El valor del tiempo puede ser observado en la Figura 6. Una ganancia menor pero temprana se obtienen cuando el huerto se establece con padres escogidos sólo por su apariencia fenotípica comparada con la ganancia obtenida cuando la calidad genética de los padres es conocida. La ganancia se incrementará a medida que la información proveniente de los ensayos de progenie se hace disponible y la "depuración" se realiza en el huerto semillero. 35

36 Debe enfatizarse nuevamente que uno de las características mayores del mejoramiento genético forestal es producir "el mismo monto y calidad de producto en menos tiempo a un costo razonable" más que "producir más a un tiempo determinado" Población forestal Polinización abierta o controlada y colecta de semillas Selección Información Colección de estacas y semillas Ensayo de progenies Huerto semillero clonal Información Depuración y colecta de semilla superior Plantación Figura 5. Ciclo de selección recurrente con ensayo de progenie desarrollado en forma paralela al establecimiento de huertos semilleros. (Fuente: Kang y Nienstaedt 1987). 36

37 (+) Ganancia relativa HSC de primera generación, basado sólo en el fenotipo HSC totalmente depurado Depuración inicial (-) 0 A B Tiempo (años) A B = Ganancia adicional al establecimiento del HSC con fenotipos no ensayados genéticamente Punto donde el HSC podría haber sido establecido en base al genotipo, luego del ensayo de progenie Figura 6. Representación gráfica de la importancia del tiempo en un PMG. El establecimiento de un HSC con fenotipos que están siendo simultáneamente evaluados en ensayos de progenie puede entregar una ganancia temprana (fracción AB). Esta es una adición a la ganancia mayor que se obtiene después que los datos de los ensayos de progenie están disponibles. (Fuente: Zobel y Talbert 1984). 37

38 4.6 tipos de selección asociados a los métodos Existen diversos tipos de selección, pero en esta sección se tratarán algunos de los más relevantes y comúnmente encontrados en la literatura Selección tipo masal o individual En el método de mejoramiento mediante la selección masal (ver sección 4.1), la técnica de selección de individuos tiene el mismo nombre que el método. La selección masal, también denominada selección individual (Falconer y Mackay 1998), involucra: escoger individuos solamente sobre la base de sus fenotipos, sin poner atención en el desempeño de los ancestros, descendientes, u otro tipo de parientes. La selección masal trabaja bien para caracteres altamente heredables, donde el fenotipo es un buen reflejo del genotipo. Es el único tipo de selección que puede ser usado en rodales naturales o en plantaciones donde el pedigree es desconocido. La selección masal es raramente utilizada cuando los pedigrees son conocidos, como es el caso de los ensayos genéticos de generaciones avanzadas, debido a que una mayor ganancia genética puede ser obtenida usando otros métodos Selección tipo familiar Este tipo de selección involucra: La elección de familias enteras en base a sus valores fenotípicos. No hay selección de individuos dentro de las familias y los valores de árbol individual son utilizados sólo para calcular los promedios familiares 38

39 La selección familiar trabaja bien con caracteres de baja heredabilidad, donde los fenotipos individuales no son un buen reflejo del genotipo. Cuando los promedios familiares se basan en un gran número de individuos, la varianza ambiental tiende a ser reducida, y los promedios familiares se vuelven un buen estimador del valor genético promedio. La selección familiar es escasamente aplicada como único tipo de selección en un PMG forestal. Esto se debe a que una mayor ganancia genética puede ser lograda a partir de otros métodos que incluyen la selección familiar como parte del método. La selección familiar también puede conducir a un incremento de la tasa de consanguinidad porque familias enteras pueden ser descartadas, por lo tanto se reduce la base genética de la población Selección tipo ensayo de progenie Este tipo de selección involucra: la selección de árboles parentales en base al desempeño de las progenies. Primero se establece el ensayo de progenie con las descendencias de los árboles candidatos (por ejemplo, árboles plus originados de poblaciones forestales sin mejoramiento), las progenies crecen y se desarrollan, estas son evaluadas y, finalmente, se selecciona aquellos candidatos cuyas progenies presentaron las mejores características en comparación con el resto del ensayo. Este tipo de selección puede ser muy precisa, debido que permite estimar en forma directa los valores reproductivos 10 que serán usados en el proceso de selección. Esto es lo que ocurre cuando los padres de un HSC son establecidos en ensayos de progenie (ver selección recurrente para capacidad combinatoria general en sección 10 Valor reproductivo: es una propiedad genética del individuo, en referencia a una población en particular. Consiste en la suma de los efectos genéticos aditivos de todos los alelos, en todos los loci, que controlan un carácter en un individuo. 39