4.8.2 Durchbrechen der interspezifischen Isolationsbarrieren
Reproduktive Isolation zwischen Arten wirkt als Mechanismus zur Aufrechterhaltung der Trennung und Individualität verschiedener Genpools, die nicht kompatibel und/oder an verschiedene Umgebungen angepasst sind. Unter den verwandten Arten ist eine solche Isolierung normalerweise nicht vollständig, was einen gewissen Grad an Genaustausch ermöglicht und von diesen Genen profitiert, die mit dem genetischen Hintergrund der anderen Spezies vereinbar sind oder leicht werden können.,
Ploidie Ebene und Unterschiede in der genomischen Zusammensetzung sind Hauptfaktoren, die Wirksamkeit der Kreuzung und Fruchtbarkeit der F1 breiten Hybriden beeinflussen. Praktisch sind bei der Hybridisierung von Hexaploid-Haferflocken A. sativa und A. byzantina mit ihren nahen Verwandten A. sterilis, A. fatua, A. occidentalis und A. ludoviciana, die das gleiche Ploidie-Niveau und die gleiche Genomformel (AACCDD) aufweisen, keine Schwierigkeiten zu erwarten. Gelegentliches Auftreten von Univalenten bei Meiose von Hybriden innerhalb dieser Gruppe (McMullen et al., 1982) schränkt den interspezifischen Genfluss nicht ein. Hybriden von A., sativa mit A. sterilis und A. fatua treten sogar spontan auf (Andersson und Carmen de Vincente, 2010) und die Alien-Variation wird leicht in kultivierte Formen assimiliert. Einige ertragreiche Sorten, die in der zweiten Hälfte des letzten Jahrhunderts freigesetzt wurden, enthielten sogar 50% Keimplasma von A. sterilis, zum Beispiel „Ozark“ (Bacon, 1991) oder von A. fatua, zum Beispiel „Mesa“ (Thompson, 1967). Laut Leggett und Thomas (1995) werden diese Arten als primärer Genpool für A. sativa klassifiziert. Für den tetraploid kultivierten Hafer A. abyssinica wird die ähnliche am engsten verwandte Gruppe von A gebildet., barbata, A. vaviloviana (spontane Hybriden, die von Baum (1977) berichtet wurden) und A. agadiriana (alle mit gemeinsamer Genomformel AABB). Einen entsprechenden primären Genpool für diploide Hafer angebaut A. strigosa würde bedeuten, A. atlantica, A. hirtula, und A. wiestii (Träger des Genoms).
Für A. sativa wurden Haferarten mit 4x Ploidy-Gehalt, aber den gleichen homologen Genomen, von Leggett und Thomas als sekundärer Genpool klassifiziert. Die Kreuzbarkeit von gewöhnlichem Hafer mit diesen Arten ist relativ hoch, aber Sterilität tritt bei pentaploiden F1-Hybriden auf (Tabelle 4.,7) aufgrund unvollständiger Chromosomenpaarung bei Meiose. Trotzdem ist die Fruchtbarkeit in der Regel ausreichend, um eine erfolgreiche Rückkreuzung zu einer elterlichen Spezies (normalerweise A. sativa) durchzuführen. Der sekundäre Genpool umfasst die Tetraploide A. maroccana und A. murphyi, die die A-und C-Genome mit A. sativa teilen. Der kürzlich entdeckte tetraploide A. insularis ist ein weiterer Kandidat für die Gruppe, da seine genomische Formel CCDD nahe kommt und Hybriden mit A. sativa auch teilweise fruchtbar sind (Ladizinsky, 1999).,
Bei Kreuzungen von Hafer mit diploiden Arten, die Varianten des C-Genoms (A. pilosa, A. ventricosa, Avena bruhnsiana) oder des A-Genoms (A. longiglumis, A. canariensis und A. hirtula) tragen, wird über eine sehr geringe Kreuzbarkeit und F1-Fertilität berichtet (Tabelle 4.7). Alle Diploide wurden zusammen mit den AABB-Tetraploiden (A. abyssinica, A. barbata, A. agadiriana, A. vaviloviana) und Tetraploid A. macrostachya von Leggett und Thomas in den tertiären Genpool klassifiziert., Größere Unterschiede im Ploidie-Niveau, fehlende Homologie zwischen den Chromosomen verschiedener Genome und fehlende Koadaptation zwischen Genen von A. sativa und Spezies dieser Gruppe verursachen eine starke reproduktive Isolation, die ohne spezielle Verfahren wie Embryonenrettung und Verdoppelung der Chromosomenzahl (normalerweise mit Colchicin) nicht überwunden werden kann. Detailliertere Daten zur Kreuzbarkeit und Sterilität zwischen allen Avena-Arten sind in Tabelle 4.7 und in der Übersicht von Loskutov (2001) verfügbar.,
Für die höchste Chance auf Samen, die in den Interploidie-Kreuzen von Hafer gesetzt sind, empfehlen Rajhathy und Thomas (1974) die Verwendung der unteren Ploidie-Art als Pistillate-Elternteil. Die entgegengesetzte Kreuzrichtung kann jedoch bei einigen Kreuzen besser funktionieren (z. B. A. sativa × A. macrostachya (Łapiński et al., 2013)). Die reziproke Kreuzung ist wegen der möglichen zytoplasmatischen Wirkungen, die auch bei weniger entfernten Haferkreuzen zu erwarten sind, als erhöhte Ausbeute der Linien mit A. sterilis Zytoplasma, das von Beavis und Frey (1987) berichtet wurde, oder unterschiedliche Krankheitsresistenz (Simons et al.,, 1985).
Die Anwendung von Wachstumsregulatoren nach Bestäubung, Embryonenrettung, Colchicin-Behandlung und intensiver vegetativer Vermehrung von hochsterilen Hybriden sind leistungsstarke Verfahren, die die Chancen für einen außerirdischen Gentransfer erheblich erhöhen. Für die widerspenstigste Interploidie kann die beste Lösung jedoch die Chromosomenverdopplung im unteren Ploidie-Elternteil oder die Produktion eines künstlichen Überbrückungsalloploids sein (Sadanaga und Simons, 1960)., Die Erhöhung des Ploidie-Niveaus (und der genetischen Vielfalt) durch eine Kombination aus einem vorläufigen breiten Kreuz und einer Chromosomenverdopplung erwies sich bei Hafer als sehr nützlich. Bei höheren Ploidie-Spiegeln übt das Vorhandensein gemeinsamer Genome in F1-Hybriden eine Pufferwirkung auf Störungen aus, die durch das Fehlen einer meiotischen Paarung oder einer inkompatiblen Genwirkung verursacht werden., Daher wird empfohlen, basierend auf einer Vielzahl von diploiden und polyploiden Spezies mit anerkannter genomischer Zusammensetzung zunächst ein geeignetes künstliches Alloploid (optimal hexaploid oder Octoploid) mit nicht mehr als einem kritischen Genom zu erzeugen anders als in der Akzeptorart. Als nächstes sollte das Alloploid als Kreuzpartner mit der Zielart verwendet werden. Dieser Weg erwies sich als erfolgreich bei der Übertragung zahlreicher Gene aus dem tertiären Genpool, beispielsweise zur Mehltauresistenz von A. pilosa (Sebesta et al., 1986)., Andererseits kann die Verwendung einer dritten Brückenartkomponente die Restitution vollständig fruchtbarer und agronomisch akzeptabler Linien erschweren (Rines et al., 2007).
Schwierigkeiten beim Alien Transfer sind oft nicht auf Kreuzbarkeit und F1 Sterilität beschränkt. Schwerwiegendere Probleme können später auftreten, als eine eingeschränkte Rekombination zwischen nativen und fremden Chromosomen, die die Trennung von Zielgenen von nicht angepassten oder unerwünschten Nachbargenen aus demselben Chromosom stört. In diesem Zusammenhang ist die Linie Cw57 von A. longiglumis ein besonders wertvoller Kreuzpartner für Vorkreuze., Es verursacht eine Zunahme der homöologen Paarung und der intrachromosomalen Rekombinationsfrequenz (Thomas et al., 1980a), ähnlich wie der Mangel an Ph1 Locus in Weizen Chromosomentechnik verwendet.
Die Übertragung von Schimmelresistenzgenen von A. barbata (tertiärer Genpool) auf A. sativa ist ein Beispiel für das klassische Verfahren. Es begann mit der Colchicin-erleichterten Produktion von sativa + barbata alloploid (10x), gefolgt von Backcrossing zu A. sativa und Selfing, die auf die Herstellung einer disomischen Additionslinie abzielten., Als nächstes verursachte die Bestrahlung dieser Linie eine Fragmentierung des fremden Chromosoms, was zur gewünschten Translokation führte (Aung et al., 1977). In einer anderen methodischen Version wurde die gleiche Additionslinie zu einem alloploiden (8x) gekreuzt, der das Genom A. longiglumis „CW57“ trug (hinzugefügt zu A. sativa). „Pendek“) zur Förderung der intergenomischen Überkreuzung (Thomas et al., 1980a). Eine weitere Bestrahlung, die die Übertragung der Stammrostbeständigkeit von A. barbata stimuliert, wurde von Brown (1985) beschrieben. Das „CW57“ – System wurde beim Pc94 crown rost resistance Gentransfer von A. strigosa (Aung et al., 1996).,
Die intensive vegetative Vermehrung (bis zu Tausenden von Pflanzen) von Colchicin-behandelten hochsterilen F1-Hybriden, gefolgt von einer ausgedehnten spontanen Bestäubung mit einer Mischung aus A. sativa-Linien auf einem speziell vorbereiteten Feld, war eine erfolgreiche Strategie zur Überwindung der starken Sterilitätsbarriere in den polnischen A. sativa × A. macrostachya-Kreuzen (durchschnittlich wurde ein keimbarer Samen pro 210 Rispen der F1-Generation gebildet). In einem der F1-Hybriden erleichterte das Verfahren das Auftreten sehr seltener reduzierter funktioneller Gameten aus einem Semirandom-Sortiment in den gestörten meiotischen Abteilungen., Unter den 57 erhaltenen keimbaren Samen führte fast die Hälfte zu semisterilen Pflanzen mit Chromosomenzahlen zwischen 40 und 49 (der Rest war vom alloploiden Typ mit ∼70 oder 56 Chromosomen). Die Variation unter den Linien, die von diesem Material abgeleitet wurden, reichte aus, um hexaploide Formen mit großer Körnung und Winterhärte auszuwählen, die den als Standards verwendeten Linien überlegen waren (Łapiński et al., 2013).
Die Fähigkeit, an interspezifischer Hybridisierung teilzunehmen, ist in den Populationen nicht gleichmäßig verteilt und häufig auf einen kleinen Anteil kreuzkompatibler Genotypen beschränkt., Daher kann viel von der Anzahl und Vielfalt der elterlichen Formen abhängen, die für ein schwieriges breites Kreuz ausgewählt wurden. Unabhängig von unterschiedlicher Ploidie und unterschiedlicher genomischer Zusammensetzung bleiben die individuellen Allelunterschiede ein wesentlicher Faktor für Kreuzbarkeit, genetische Sterilität und genetische Kompatibilität mit dem anderen Elternteil. Es gibt keine Hinweise auf mögliche Zusammenhänge zwischen einer individuellen Kreuzbarkeit oder Sterilität und Nützlichkeit der resultierenden Hybriden., Wie auch immer, im Falle einer sehr schwierigen Kreuzung ist die bessere Zuchtstrategie die Hybridisierung zwischen möglicherweise einer hohen Anzahl genetisch differenzierter Eltern, anstatt ein Paar Genotypen zu kreuzen.
Experimente mit der gynogenetischen Produktion von doppelten haploiden Haferlinien trugen zur Erweiterung des tertiären Genpools über die Avena-Gattung hinaus bei. Matzk (1996) gelang es, Hafer mit Mais (Zea mays L.) und Perlhirse (Pennisetum americanum L.) zu kreuzen. In jüngerer Zeit, Kynast et al., (2004) berichtete über die Herstellung einer ganzen Reihe von Haferlinien mit disomischen Zusätzen von jeweils 10 Maischromosomen. Die Vorteile dieses Materials wurden noch nicht erkannt. Sicherlich werden in Zukunft mehr intergenerische Kreuzkombinationen erscheinen.
Der Fortschritt in der rekombinanten DNA-Technologie wird voraussichtlich alle reproduktiven Isolationsbarrieren auslassen und seine Rolle wird zunehmen. Insbesondere für die quantitativen Merkmale ist der theoretisch unbegrenzte Bereich der Wahl zwischen genetischen Ressourcen jedoch durch kognitive und technologische Möglichkeiten der Wissenschaft bemerkenswert eingeschränkt., Unverständliche Variationen in wilden Genpools und ihr sich entwickelnder Charakter erzeugen dynamische Systeme mit Tausenden von Variablen und einer astronomischen Anzahl von Lösungen. Nur ein winziger Teil dieser Lösungen wurde realisiert. Daher wird für die Nützlichkeit der klassischen Suche nach neuen Variationen durch breite Kreuzungen kein Rückgang erwartet.