Hodowla poliploidalna.

Hodowla poliploidalna powstała jako metoda po zastosowaniu kolchicyny w 1937 roku. Przy pomocy tego środka mutagennego zaczęto otrzymywać rośliny poliploidalne. Początkowo sądzono, iż samo zdwojenie liczny chromosomów wystarczy, aby wyhodować nową odmianę.
Jednak badanie liczby chromosomów zarówno roślin dzikich, jak i uprawnych ujawniło, że oprócz diploidów występuje wśród nich wiele poliploidów. Gatunki poliploidalne są niewątpliwie wtórne, ewolucyjnie młodsze, powstały w wyniku spontanicznego krzyżowania pierwotnych form diploidalnych i następnie - również spontanicznego - zdwojenia liczby chromosomów u bezpłodnego potomstwa. Są to więc gatunki allopoliploidalne, czyli amfidiploidalne. Allopoliploidy zawierają dwa (lub więcej) pełnych genomów diploidalnych gatunków wyjściowych, dzięki czemu często charakteryzują się zwiększonym spektrum adaptacyjnym, ponadto bez trudności mogą się rozmnażać generatywnie, gdyż koniugacja zachodzi bez przeszkód między homologicznymi chromosomami form wyjściowych.

Natomiast naturalne autopoliploidy, zawierające dwa pełne genomy tego samego gatunku, występują w przyrodzie tylko wyjątkowo, gdyż zwiększona liczba chromosomów homologicznych bardzo rzadko jest korzystna ze względów adaptacyjnych.
Każdy gatunek ma określony optymalny stopień ploidalności i najczęściej jest to stopień diploidalny, który stanowi regułę w świecie zwierząt. Jednocześnie autopoliploidalność stwarza trudności w czasie koniugacji na skutek obecności czterech (zamiast dwóch) homologicznych genomów i dlatego autopoliploidy, zarówno spotykane wśród roślin dzikich, jak i uprawnych, z reguły rozmnażają się wegetatywnie.
Jak się okazało po roku 1937, droga do wyhodowania dobrych odmian poliploidalnych jest dość długa. Poliploidy zaraz po otrzymaniu mają szereg wad. Zdwojenie liczby chromosomów jest dopiero początkiem pracy hodowlanej. W hodowli tak zwane surowe poliploidy służą jedynie jako materiał wyjściowy.

W hodowli poliploidalnej należy dążyć do uzyskania dużej ilości roślin wyjściowych.Zapewnia to stosowana obecnie technika wywoływania poliploidalności. Zdwojenie liczby chromosomów wymaga zahamowania mitozy w początkowym stadium anafazy, nie dopuszczenia do ich rozejścia się ku biegunom i utworzenia dwu komórek potomnych. Początkowo próbowano w tym celu stosować wysoką lub niską temperaturę (metodą szoku termicznego) lub uzyskiwanie pędów przybyszowych z kalusa (metodą regeneracyjną). Obecnie obie te metody mają jedynie znaczenie historyczne, stosuje się wyłącznie metody chemiczne. Odkryto substancje, które zakłócają tworzenie się wrzeciona kariokinetycznego (substancje c-mitotyczne) - chromosomy siostrzane oddzielają się od siebie, ale nie dochodzi do telofazy i cytokinezy (podziału komórki). Zbyt długie działanie takich substancji może powodować kolejne zdwojenie liczby chromosomów, co prowadzi do nadmiernego zwiększenia stopnia ploidalności komórki. Obecnie, po wypróbowaniu licznych mniej lub bardziej skutecznych substancji c-mitotycznych, w praktyce stosuje się tylko dwie: kolchicynę (alkaloid wydobywany z zimowita) oraz acenaften (trójpierścieniowy węglowodór aromatyczny, Ci2Hio).
Do poliploidyzacji należy wybierać rośliny wartościowe. Zdwojenie liczby chromosomów powoduje powiększenie rozmiarów i masy rośliny. Są to zmiany o charakterze ilościowym, a nie jakościowym. Zmiany jakościowe występują natomiast u form alloploidalnych. Niektórzy hodowcy selekcjonują materiał na poziomie diploidalnym i dopiero po poprawieniu określonych cech poddają materiał kolchicynowaniu. Takie postanowienie ze wszech miar jest wskazane, bowiem skuteczność selekcji jest większa u roślin diploidalnych niż autoploidalnych.
Pokolenie poddane działaniu substancji c-mitotycznej oznacza się jako Co. Wśród roślin pokolenia Co tylko niektóre ulegają poliploidyzacji. Można je wyróżnić po zniekształconych, pofałdowanych i kruchych liściach. Część ginie na skutek zbyt wysokiego stopnia poliploidyzacji, u innych zabieg okazuje się nieskuteczny. Rośliny morfologicznie niezmienione usuwa się, pozostałe doprowadza do kwitnienia. Są to z reguły chimery zbudowane z fragmentów tkanki diploidalnej i tetraploidalnej (niekiedy także oktoploidalnej; komórki o jeszcze wyższym stopniu ploidalności są najczęściej nieżywotne).

Wzrost fragmentów diploidalnych jest przeważnie szybszy (zjawisko selekcji diplontowej) i tym samym tylko niektóre pędy kwiatowe są tetraploidalne. Można je zidentyfikować na podstawie obserwacji ziaren pyłku, które jako diploidalne są wyraźnie większe od normalnych ziaren pyłku haploidalnego.

W hodowli roślin poliploidalnych stosuje się w zasadzie podobne metody hodowli jak u roślin diploidalnych. Niemniej jednak ze względu na polisomiczny charakter dziedziczenia modyfikuje się metody hodowlane oraz opracowuje nowe, przydatne w hodowli poliploidalnej. Najpewniejszą metodą oznaczania stopnia ploidalności jest liczenie chromosomów mitotycznych za pomocą mikroskopu optycznego lub oznaczanie zawartości jądrowego DNA za pomocą cytometru przepływowego. Stosuje się również mniej pewne metody pomocnicze, takie jak wskazane powyżej pomiary ziaren pyłku lub komórek przyszparkowych, oznaczanie liczby szparek oddechowych na jednostce powierzchni liścia, liczenie chloroplastów w komórkach przyszparkowych lub porusów na ziarnach pyłku.

Natomiast jeśli materiał wyjściowy jest bogaty i różnorodny genetycznie, można zastosować metodę selekcji indywidualnej. W zależności od tego czy ma się do czynienia z roślinami samopylnymi, czy obcopylnymi można stosować selekcję czystych linii lub rodową. Selekcja winna być bardzo staranna i uwzględnić te cechy, które zostały polepszone, względnie pogorszone w wyniku poliploidyzacji. Największą wadą roślin poliploidalnych jest stosunkowo niska płodność. Prowadzenie selekcji w kierunku poprawienia płodności roślin jest rzeczą konieczną.
Hodowlę poliploidalną należy prowadzić w izolacji od roślin diploidalnych. Przypadkowe przekrzyżowanie się często powoduje powstawanie niepłodnych triploidów. Ponadto należy kontrolować rośliny pod względem liczby chromosomów. Wśród roślin poliploidalnych mogą się niekiedy pojawiać spontaniczne formy diploidalne. Ponieważ pytek tych roślin jest haploidalny i szybciej kiełkuje niż diploidalny roślin letraploidalnych, stąd leż stopień przekrzyżowania może być bardzo duży. Pojawienie -się roślin diploidalnych wśród poliplodów jest wysoce szkodliwe i obniża wartość hodowlaną materiału.

W hodowli poliploidalnej należy również dążyć do otrzymania materiału zróżnicowanego pod względem genetycznym. W tym celu należy skrzyżować dwie różne odmiany i mieszańce poddać kolchicynowaniu. W mieszańcach pojawiają się różne typy, które mogą być interesujące dla hodowli. Duże znaczenie dla otrzymania materiału hodowlanego ma sposób utrzymania poliploidów. Formy o podwojonej liczbie chromosomów można otrzymać przy pomocy somatycznej i mejotcznej poliploidyzacji. Pierwsza polega na podwajaniu liczby chromosomów w komórkach somatycznych, a druga w generatywnych. Krzyżowanie ze sobą różnych typów poliploidalnych jest bardzo interesującą metodą. Jeśli np. skrzyżuje się żyto diploidalne z odmianą tetraploidalną, to efektem będą triploidalne rośliny. Wprawdzie po skrzyżowaniu tych dwu form żyta powstają często źle wykształcone ziarniaki, niemniej jednak część z nich ma żywotne zarodki, z których można otrzymać triploidalne rośliny. Takie mieszańce są w zasadzie sterylne, dlatego należy je skrzyżować z formą tetraploidalną i otrzymać w ten sposób rośliny tetraploidalne. Niekiedy rośliny triploidalne zawiązują pojedyncze ziarniaki, które po wysianiu dają rośliny o liczbie chromosomów zbliżonej do form wyjściowych. Poliploidyzacja mejotyczna jest lepszą metodą niż mitotyczna, gdyż umożliwia otrzymanie materiału zróżnicowanego pod względem genetycznym. W naturze większość poliploidów powstała prawdopodobnie w wyniku połączenia się niezredukowanych gamet roślin diploidalnych.
W wyjątkowych przypadkach optymalny poziom ploidalności, przy którym plon jest najwyższy, wynosi nie 2x ani 4x, ale 3x. Takie odmiany otrzymuje się w wyniku krzyżowania jednonasiennych, męskosterylnych komponentów matecznych z tetraploidalnymi wielonasiennymi zapylaczami. Jest to przypadek wyjątkowy, gdyż przeważnie między diploidami i tetraploidami (należącymi do tego samego gatunku) istnieje bariera uniemożliwiająca krzyżowanie - triploidalne zygoty są nieżywotne.

Przyczyny tej niezgodności nie są znane, pewną rolę odgrywa tu zapewne niezgodność tkankowa, wynikająca z nietypowych stosunków ploidalności tkanki zarodka, bielma i zalążni, w której zarodek się rozwija.

Dodatkową osobliwością form autotetraploidalnych jest tetrasomiczny sposób dziedziczenia, który sprawia, że w pokoleniu F2 formy homozygotyczne pojawiają się z częstotliwością nie na, ale l na 36. Dlatego genotypowe i fenotypowe ustabilizowanie, niezbędne u gatunków samopłodnych, jest trudniejsze, natomiast u obcopłodnych stan wysokiej heterozygotyczności może okazać się korzystny.
Podobnie jak w przypadku hodowli mutacyjnej, również osiągnięcia hodowli poliploidalnej, wbrew początkowemu entuzjazmowi i wielkim nadziejom, są raczej niewielkie, zwłaszcza biorąc pod uwagę ogromny nakład sił i środków. W okresie powojennym uzyskano formy tetraploidalne prawie wszystkich diploidalnych gatunków uprawnych (głównie za pomocą kolchicyny), ale tylko nieliczne z nich okazały się bardziej wartościowe od wyjściowych odmian diploidalnych.

Diploidalne odmiany zawsze dominowały w USA. W Polsce jak dotąd przeważają odmiany triploidalne, ale nie ustępują im nowe odmiany diploidalne (zwłaszcza hodowli szwedzkiej).

Dobrą metodą hodowli roślin jest krzyżowanie różnych form i odmian poliploidalnych. Krzyżowanie ze sobą różnych odmian pozwala hodowcy uzyskać szeroki pod względem genetycznym materiał wyjściowy. W ten sposób stwarza się korzystne warunki selekcji roślin.
Ponieważ metoda poliploidalną jest bardzo młoda i stosowana od niedawna, dlatego też wyniki hodowlane są jeszcze niewielkie. Jak dotychczas najlepsze rezultaty osiągnięto w hodowli buraka cukrowego, rzepy ścierniskowej, roślin kwiatowych i innych.

Literatura:
M. Jassem, „Hodowla roślin”, Bydgoszcz 1999
C. Tarkowski, „Genetyka, hodowla roślin i nasiennictwo”, Lublin 1999
P.C.Winter, „Genetyka”, Warszawa 2000