Διερεύνηση δυνατότητας ανασυνδυασμού ευνοϊκών γονιδίων από διαφορετικά υβρίδια καλαμποκιού για τη δημιουργία βελτιωμένων ελεύθερα επικονιαζόμενων σειρών

Abstract

The aim of this study was to investigate the possibility of combining thefavorable genes from different corn hybrids in order to create improved openpollinated lines. For this purpose, as starting materials were chosen threecommercially available hybrids, which, having passed the evaluation procedurein nil competition environment, were distinguished for their crop yield potentialcompared to seven other commercial hybrids. The three high breedingpotential hybrids were: [X1132R (ELE)] 100%, [PR31G98 (G98)] 96%, and[PR33A46 (A46)] 51%, respectively. Having, then, performed controlled selfpollination and hybrid double crosses, the result was: a) three entries with F2generation, each one corresponding to each single hybrid, and b) threedifferent double-cross hybrids, also forming three entries.These materials underwent a honeycomb pedigree selection in nilcompetition environment for four consecutive generations with intensityselection of 1.4%. Following single-plant selection and progeny evaluationmethods in nil competition environment, the distance between plant was 1.25m (0.74 plants/m2) and as control was chosen the ELE hybrid. Experimentationwas conducted in the farm of Democritus University of Thrace in Orestiada andin farmer fields. In 2009, the six S0 entries and the control were placed in R-7honeycomb design, with 100 iteration plants per entry and in open pollinatedconditions. Main assessment and selection criteria were the two novelequations: 1) Eq.A which assesses the plant yield potential of individual plantand 2) Eq.B which assesses the crop yield potential of each entry based on theindividual plant. The selected plants constituted the new HS1 entries and wereevaluated during the next growing season in three R-7 honeycomb designs of100 replications.The first honeycomb design consisted of progeny lines derived from the F2sof the three single hybrids, while in the rest two honeycomb designs the entriesoriginated from the double-cross hybrids. Twelve plants were selected for eachexperiment and HS2 entries emerged. These were evaluated in 2011 in three R-13 honeycomb design of 70 replications. The first honeycomb design containedentries from the F2s and the other two contained entries obtained from thedouble-cross hybrids. Six plants were selected from the first and 12 plants wereselected from the latter, constituting HS3 entries which were evaluated in 2012in R-7 (100 plants per entry) and R-13 (70 plants per entry) honeycomb designs,respectively.In 2002 also studied the flowering behavior of the entries, measuring thetime between anthesis (pollen shedding) and ear silking interval (ASI). For the R-7 experiment, the duration of pollen production was also calculated. Theselection continued only for the R-7 entries. The selected plants thatconstituted the HS4 progeny lines were five of A46/F2 origination. They wereevaluated in 2013 in two environments: a) at nil competition (0.74 plants/m2),and b) at farming density (7.8 plants/m2).During the evaluation two hybrids were used as controls and, beyond grainyield two additional agronomic characteristics were measured: the plant heightand the ear length. In addition, flowering behavior in both environments wasalso measured. At nil competition HS4 were evaluated in R-7 honeycomb designincluding ELE and an experimental hybrid as controls. At farming density,controls were the commercial hybrids ELE and PR1114, with entries allocatedaccording to the RCB design of three replications. The evaluation of the HS4 lineswas repeated in 2015 through the application of two RCB experiments (one at4.4 and the other at 8.8 plants/m2), each comprising three complete blocks .The results of the experiment proved that the application of the Eq.B, whichestimates the crop yield potential at nil competition, enhance the differencesbetween entries, thus facilitating selection. The average annual progress in thefirst three generations concerning selection within the F2s was 22.3% and therespective within the double-cross hybrids was 9.7%. Although the highestaverage progress was observed in entries originated from F2s, the dynamics ofsister lines from the double-cross hybrids should not be ignored. This wasreflected in the 5-1-4 entry that exhibited a 54% annual progress and overyielded by 17% the control hybrid. Additionally, in this generation the progenylines of double-cross hybrids showed high progress in all aspects of the cropyield potential, especially in homeostasis. Nevertheless, stability and high cropyield potential was not preserved in the next generations, attributable to highgeneric variation of source material combined with very high selectionpressures.Instead, the progress of the F2 genetic basis entries was stable in terms ofgrain yield in all generations. This behavior was observed in the crop yieldpotential of 1-1-4-1 and 2-2-3-2 entries. The crop yield potential in these entrieswas higher compared to the control ELE. Only the 2-2-3-2 entry wasdistinguished for its stability and homeostasis progress. Despite the higher cropyield potential of the entry 1-1-4-1, the selection was limited to the entry 2-2-3-2 due to its stability in behavior, indicative of the additive nature of geneeffects.The assessment of the HS4 entry in nil competition environment showed thatthe yield of the highest performing HS4 (2-2-3-2-3) was 81% of the control ELE.Also, this entry presented high yield at 7.8 plants/m2 corresponding to 92% ofcontrol ELE and to 95% of PR1114. There was a significant correlation (r = 0.86)in grain yield between the two environments. Also significant correlations (r =0.82) were observed between the relative crop yield potential estimated at nilcompetition and the grain yield per plant at densities of 7.8 and 8.8 plants/m2.These correlations are indicative of nil competition environment’s ability topredict the behavior of genetic materials at normal farming situations.The evaluation at the 4.4 plants/m2 density showed no significant differencesbetween the entries. The highest yield among sister lines observed in 2-2-3-2-3entry corresponding to 92% of ELE and 82% of A46. In the density of 8.8plants/m2, the HS4 line with the highest yield (2-2-3-2-2) corresponded to 84%of ELE and 88% of A46, being significantly lower only compared to ELE. As forthe agronomic traits of plant height and ear length, entries HS4 showedrelatively high stability. The CV values ranged from 7.3% to 15% for the plantheight, and from 7.5% to 10% for the ear length. The high stability of entrieswas reflected in the ear length where all entries had lower CV compared to thecontrol ELE. Plants heights with a lower CV compared to control ELE wereobserved only in line 2-2-3-2-3, while the control PR1114 showed the lowestvalue.The anthesis behavior of HS3 entries at nil competition environment washighly diverse among entries, but the average values in ASI were small. For theexperiment with the F2 genetic bases entries, ASI was 1.3 days and for theentries of double hybrids it was 1.0 day. Additionally, there were entries withsimultaneous male and female flowering exhibiting long pollen sheddingperiod. Some entries showed protogyny which contributed to an even greaterphenotyping deferential at nil competition environment; this was due togenetic variation of this generation. HS4 entries presented different floweringbehavior between the two environments. The highest entry differentiation wasobserved at nil competition environment which had also the lowest ASI index.In conclusion, the selection at nil competition environment indicated thatbeneficial exploitation of the additive gene actions appears realistic andfeasible. Additionally, it was found out that when hybrids of high crop yieldpotential are serving as starting materials, it is possible to create openpollinated lines with high yield performance and homeostasis.

Σκοπός της εργασίας ήταν η διερεύνηση της δυνατότητας συνδυασμού ευνοϊκών γονιδίων από διαφορετικά υβρίδια καλαμποκιού με στόχο τη δημιουργία βελτιωμένων ελεύθερα επικονιαζόμενων σειρών. Για το σκοπό αυτό ως υλικά εκκίνησης αποτέλεσαν τρία εμπορικά υβρίδια που μετά από αξιολόγηση σε περιβάλλον έλλειψης ανταγωνισμού διακρίθηκαν για το παραγωγικό τους δυναμικό έναντι επτά εμπορικών. Τα τρία υβρίδια με το υψηλότερο δυνητικό παραγωγικό δυναμικό ήταν τα [X1132R (ELE)] 100%, [PR31G98 (G98)] 96% και [PR33A46 (A46)] 51% αντίστοιχα. Στη συνέχεια μετά από ελεγχόμενη αυτογονιμοποίηση και διασταυρώσεις των υβριδίων προέκυψαν α) τρείς οικογένειες F2 γενεάς, όπου η κάθε μια αντιστοιχούσε σε κάθε απλό υβρίδιο και β) τρία διαφορετικά διπλά υβρίδια, αποτελώντας επίσης τρείς οικογένειες.Στα υλικά αυτά υπό συνθήκες έλλειψης ανταγωνισμού, εφαρμόστηκε κυψελωτή γενεαλογική επιλογή για τέσσερεις γενεές με πίεση επιλογής 1,4%. Σε όλα τα πειράματα επιλογής και απογονικής αξιολόγησης απουσίας ανταγωνισμού οι αποστάσεις μεταξύ των φυτών ήταν 1,25 m (0,74 φυτά/m2) και μάρτυρας το υβρίδιο ELE. Ο πειραματισμός διεξήχθη στην Ορεστιάδα στο αγρόκτημα του ΔΠΘ και σε ιδιωτικούς αγρούς. Αρχικά το 2009, οι έξι S0 οικογένειες και ο μάρτυρας εγκαταστάθηκαν σε κυψελωτό R-7, με 100 φυτά – επαναλήψεις ανά οικογένεια, και σε συνθήκες ελεύθερης επικονίασης. Βασικό κριτήριο αξιολόγησης και επιλογής αποτέλεσαν οι δύο εξισώσεις 1) Eq.A που εκτιμά το δυναμικό απόδοσης του ατομικού φυτού και 2) Εq.B η οποία εκτιμά το παραγωγικό δυναμικό (ΠΔ) της κάθε οικογένειας με βάση το ατομικό φυτό. Τα επιλεγέντα φυτά αποτέλεσαν τις νέες HS1 οικογένειες και αξιολογήθηκαν την επόμενη καλλιεργητική περίοδο σε τρία κυψελωτά R-7 των 100 επαναλήψεων.Το ένα κυψελωτο αποτελούνταν από οικογένειες με γενετική βάση τις F2 των απλών υβριδίων, ενώ στα άλλα δυο οι οικογένειες προέρχονταν από τα διπλά υβρίδια. Μετά από επιλογή για κάθε πείραμα απομονώθηκαν 12 φυτά και προέκυψαν οι HS2 οικογένειες που αξιολογήθηκαν το 2011 σε τρία R-13 κυψελωτά των 70 επαναλήψεων. Το ένα κυψελωτό περιείχε οικογένειες προερχόμενες από τις F2 των υβριδίων και τα άλλα δύο οικογένειες γενετικής βάσης των διπλών υβριδίων. Επιλέχθηκαν έξι ατομικά φυτά από τις οικογένειες γενετικής βάσης των F2 και 12 φυτά από τις οικογένειες γενετικής βάσης των διπλών υβριδίων. Τα επιλεγέντα φυτά αποτέλεσαν τις HS3 οικογένειες και αξιολογήθηκαν το 2012 σε δύο κυψελωτά R-7 και R-13 των 100 και 70 επαναλήψεων αντίστοιχα. Στο R-7 οι HS3 οικογένειες είχαν ως γενετική βάση τις F2 και στο R-13 τα διπλά υβρίδια. Κατά τη διάρκεια του πειραματισμού μελετήθηκε και η συμπεριφορά άνθησης των οικογενειών, όπου εκτιμήθηκε το διάστημα μεταξύ έκχυσης της γύρης και εμφάνισης των στηλών (ASI). Για το πείραμα R-7 υπολογίστηκε και η διάρκεια παραγωγής γύρης. Η επιλογή συνεχίστηκε μόνο στις οικογένειες του R-7 γενετικής βάσης των F2. Τα επιλεγέντα φυτά που αποτέλεσαν τις HS4 οικογένειες ήταν πέντε και είχαν ως γενετική βάση την F2 του A46. Αξιολογήθηκαν το 2013 σε δύο περιβάλλοντα: α) έλλειψης ανταγωνισμού (0,74 φυτά/m2) και β) περιβάλλον καλλιέργειας (7,8 φυτά/m2). Κατά την αξιολόγηση τους σε κάθε πείραμα χρησιμοποιήθηκαν ως μάρτυρες δύο υβρίδια και εκτός από την απόδοση στις συνθήκες καλλιέργειας μετρήθηκαν τα αγροκομικά χαρακτηριστικά ύψος φυτού και μήκος σπάδικα. Ακόμη μελετήθηκε η συμπεριφορά της άνθησης στα δύο περιβάλλοντα. Στο περιβάλλον έλλειψης ανταγωνισμού οι HS4 οικογένειες αξιολογήθηκαν σε διάταξη R-7 με μάρτυρες τα υβρίδια ELE και το πειραματικό 25x26. Στο περιβάλλον καλλιέργειας ως μάρτυρες ήταν τα εμπορικά υβρίδια ELE και PR1114 και το πειραματικό σχέδιο RCB των τριών επαναλήψεων. Η αξιολόγηση των HS4 οικογενειών σε συνθήκες καλλιέργειας επαναλήφθηκε το 2015 με την εγκατάσταση δυο πειραμάτων διάταξης RCB τριών επαναλήψεων με πυκνότητες 4,4 και 8,8 φυτών/m2. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα η εφαρμογή της Eq.B που εκτιμά το παραγωγικό δυναμικό απουσία ανταγωνισμού μεγέθυνε τις διαφορές μεταξύ των οικογενειών καθιστώντας αποτελεσματικότερη την επιλογή. Η μέση ετήσια πρόοδος στις πρώτες τρείς γενεές όλων των οικογενειών γενετικής βάσης των F2 ήταν 22,3% και για αυτές που προέρχονταν από τα διπλά υβρίδια ήταν 9,7%. Αν και η υψηλότερη μέση πρόοδος παρατηρήθηκε στις οικογένειες που προήλθαν από τις F2, η δυναμική των επιλεγέντων οικογενειών γενετικής βάσης των διπλών υβριδίων δεν πρέπει να αγνοηθεί. Η δυναμική αυτή αντανακλάται στην οικογένεια 5-1-4 όπου μετά από δύο γενεές επιλογής εμφάνισε απόδοση κατά 17% υψηλότερη του μάρτυρα και ετήσια πρόοδο 54%. Επίσης στη γενεά αυτή οι απογονικές οικογένειες των διπλών υβριδίων παρουσίασαν υψηλή πρόοδο για όλες τις παραμέτρους του παραγωγικού δυναμικού ιδιαίτερα όμως για το συντελεστή ομοιόστασης. Η σταθερότητα και το υψηλό παραγωγικό δυναμικό δεν διατηρήθηκαν στις επόμενες γενεές αποδίδοντας τη συμπεριφορά αυτή στην υψηλή παραλλακτικότητα των διπλών υβριδίων.Αντιθέτως οι οικογένειες γενετικής βάσης των F2 ως προς την απόδοση εμφάνισαν σταθερή πρόοδο σε όλες τις γενεές. Η συμπεριφορά αυτή παρατηρήθηκε και στο παραγωγικό δυναμικό των οικογενειών 1-1-4-1 και 2-2-3-2. Οι οικογένειες αυτές εμφάνισαν υψηλότερο παραγωγικό δυναμικό ακόμη και από το μάρτυρα ELE. Η οικογένεια 2-2-3-2 ήταν η μόνη που διακρίθηκε για τη σταθερότητα της, όπου εκτός από τον υψηλότερη σταθερότητα, εμφάνισε για τέταρτη συνεχή γενεά θετική πρόοδο ως προς το συντελεστή ομοιόστασης. Η οικογένεια 1-1-4-1 αν και εμφάνισε υψηλότερο παραγωγικό δυναμικό η επιλογή περιορίστηκε στην οικογένεια 2-2-3-2 λόγω της υψηλής σταθερότητας συμπεριφοράς που εμφάνισε, ένδειξη αξιοποίησης της αθροιστικής δράσης των γονιδίων. Κατά την αξιολόγηση των HS4 οικογενειών στο περιβάλλον έλλειψης ανταγωνισμού η HS4 με την υψηλότερη απόδοση (2-2-3-2-3) είχε το 81% της απόδοσης του μάρτυρα ELE. Στο περιβάλλον καλλιέργειας (7,8 φυτά/m2) η HS4 οικογένεια που εμφάνισε την υψηλότερη απόδοση ήταν κοινή με αυτή στην έλλειψη ανταγωνισμού (2-2-3-2-3) και είχε το 92% του μάρτυρα ELE και το 95% του PR1114. Παρατηρήθηκε σημαντική συσχέτιση (r=0,86) για την απόδοση μεταξύ των δύο περιβαλλόντων. Επίσης σημαντικές συσχετίσεις (r=0,82) παρατηρήθηκαν μεταξύ του παραγωγικού δυναμικού και της απόδοσης ανά φυτό στις πυκνότητες των 7,8 και 8,8 φυτών/m2. Η σχέση αυτή δείχνει την ικανότητα του περιβάλλοντος έλλειψης ανταγωνισμού να εκτιμά με ακρίβεια τη συμπεριφορά γενετικών υλικών στις συνθήκες καλλιέργειας.. Κατά την αξιολόγηση στην πυκνότητα των 4,4 φυτών/m2 δεν υπήρχαν σημαντικές διαφορές μεταξύ των υλικών του πειράματος. Στην πυκνότητα των 8,8 φυτών/m2 η HS4 οικογένεια που εμφάνισε την υψηλότερη απόδοση (2-2-3-2-2) διέφερε σημαντικά μόνο με το μάρτυρα ELE και είχε το 84% του ELE και 88% του PR33A46. Σχετικά με τα αγροκομικά γνωρίσματα ύψος φυτού και μήκος σπάδικα που μετρήθηκαν παρατηρήθηκε σχετικά υψηλή σταθερότητα των HS4 οικογενειών. Οι τιμές CV κυμάνθηκαν από 7,3 έως 15% για το ύψος και από 7,5 έως 10% για το μήκος σπάδικα. Η υψηλή σταθερότητα των οικογενειών αντικατοπτρίζεται στο μήκος σπάδικα όπου όλες παρουσίασαν μικρότερο CV από το μάρτυρα ELE. Για το ύψος φυτού μικρότερο CV από το μάρτυρα ELE παρατηρήθηκε μόνο σε μία οικογένεια την 2-2-3-2-3, ενώ ό μάρτυρας PR1114 εμφάνισε τη μικρότερη τιμή για το σύνολο του πειράματος.Η συμπεριφορά της άνθησης των HS3 οικογενειών στην απουσία ανταγωνισμού παρουσίασε έντονη διακύμανση μεταξύ των οικογενειών, ωστόσο οι μέσες τιμές σε μέρες μεταξύ έκπτυξης των στηλών και έναρξης έκχυσης της γύρης ήταν μικρές. Για το πείραμα με τις οικογένειες γενετικής βάσης των F2 ήταν 1,3 ημέρες και για τις οικογένειες των διπλών υβριδίων 1,0 ημέρες. Παρατηρήθηκαν οικογένειες με ταυτόχρονη άνθηση αρσενικής και θηλυκής ταξιανθίας και με μεγάλη διάρκεια έκχυσης γύρης. Επίσης σε κάποιες οικογένειες πατατηρήθηκς και πρωτογυνία δείχνοντας τη μεγάλη φαινοτυπική διαφοροποίηση που επιτυγχάνεται στην απουσία ανταγωνισμού αλλά και την παραλλακτικότητα που υπάρχει στη γενεά αυτή. Στις HS4 οικογένειες παρατηρήθηκε διαφορετική συμπεριφορά άνθησης μεταξύ των δυο περιβαλλόντων. Η μεγαλύτερη διαφοροποίηση παρατηρήθηκε στην απουσία ανταγωνισμού, όπου παρατηρήθηκε και ό μικρότερος δείκτης ASI.Συμπερασματικά η επιλογή σε συνθήκες έλλειψης ανταγωνισμού δείχνει να αξιοποιεί αποτελεσματικά την αθροιστική δράση των γονιδίων και με υλικά αφετηρίας υβρίδια υψηλού παραγωγικού δυναμικού καθιστά εφικτή τη δημιουργία σειρών ελεύθερης επικονίασης με υψηλή απόδοση και σταθερότητα συμπεριφοράς.