Cytogenetic approaches to breeding and propagation of male sterile parent lines for hybrid varieties of rye

Van rogge is bekend, dat belangrijke opbrengst- en kwaliteitsverbeteringen zijn te bereiken, wanneer op een effectievere manier dan tot nu toe gebruik zou kunnen worden gemaakt van de aanwezige 'bastaard groeikracht, of 'heterosis'. Om de mogelijkheden van heterosis volledig uit te buiten, moet men hybride rassen kweken. Een bijkomend voordeel van hybride rassen is hun uniformiteit.Het zaaizaad van een hybride ras ontwikkelt zich op planten die niet in staat zijn functioneel stuifmeel te vormen. De bestuiving van deze 'mannelijk steriele' (m.s.)-lijn, of 'moederlijn', gebeurt door een vaderlijn waarvan de combinatiegeschiktheid met de m.s.- lijn na uitvoerige proefnemingen is komen vast te staan.Vooral bij windbestuivers als rogge is volstrekte mannelijke steriliteit van de moederlijn een vereiste: 66n enkele mannelift fertiele - overigens niet tot de vaderlijn behorende - plant tussen de planten van de moederlijn kan tientallen m.s.-buurplanten bestuiven. Het zaad dat uit zoln bestuiving voortkomt, is geen hybride zaaizaad, maar wordt wel meegeoogst en heeft uiteindelijk een negatieve invloed op prestatie en uniformiteit van het hybride ras.Gedurende de afgelopen tien jaar is in rogge een systeem ontwikkeld, dat het mogelijk maakt, m.s.-lijnen op een betrouwbare en betrekkelijk eenvoudige - en dus commercieel aantrekkelijke - manier in stand te houden en te vermeerderen. In dit systeem wordt gebruik gemaakt van cytoplasmatische mannelijke steriliteit. Omdat mnmenteel slechts 66n steriliserend cytoplasma operationeel is, is de genetische basis van hybride rassen, die zijn veredeld met dit systeem, bijzonder smal en dus kwetsbaar.Voor de hybride veredeling van een aantal andere gewassen zijn alternatieve methoden ontwikkeld of voorgesteld, die in principe ook in rogge toepasbaar zijn. In dit proefschrift zijn een aantal aspecten van de problemen, die zich bij de toepassing van deze alternatieven kunnen voordoen, nader belicht.Alle voorgestelde alternatieven hebben met elkaar gemeen, dat gebruik wordt gemaakt van een monofactorieel recessief overervend, chromosofflaal gelocaliseerd m.s.-gen. Het dominante allel van dit gen ligt op extra chromosoommateriaal met een van normaal afwijkende structuur, terwijl het normale chromosoomcomplement de drager is van het recessieve allel. Het doel van deze constructie is, te voorkomen dat het dominante allel via het stuifmeel wordt overgedragen op de nakomelingschap. Daarvoor is nodig, dat stuifmeel met het extra materiaal niet aan de bevruchting kan deelnemen ('certatie'). Bovendien moeten de structurele afwijkingen in het extra materiaal verhinderen, dat door recombinatie het dominante allel op de normale chromosomen terecht komt. Wordt aan beide voorwaarden voldaan, dan is de vermeerdering van een volledig mannelijk steriele ouderlijn mogelijk, door normale, homozygoot recessieve m.s-planten te bestuiven met pollen van fertiele planten met een chromosomale en genotypische constitutie als hierboven beschreven. Planten met dergelijke 'gebalanceerde chromosoomsystemen' kunnen door zelfbestuiving worden vermeerderd, omdat eicellen met extra chromosoommateriaal wél reproductief zijn. Om bij de vermeerdering zoveel mogelijk arbeid te besparen, zou gebruik gemaakt kunnen worden van een recessief over-ervend gen dat letaliteit veroorzaakt. Net als bij een m.s.-gen, moet het dominante allel op het extra chromosoommateriaal en het recessieve allel op de normale chromosomen liggen. Deze constructie leidt ertoe, dat na zelfbestuiving uitsluitend planten met extra chromosoommateriaal in leven blijven.Recombinatie in gebalanceerde chromosoomsystemen kan worden bestudeerd door splitsende nakomelingschappen van kruisingen tussen planten met deze systemen en dragers van monofactorieel overervende morfologische kenmerken te onderzoeken. Daartoe is allereerst geprobeerd 17 van dergelijke genen - waaronder een m.s.-gen - te localiseren op één van de zeven roggechromosomen (hoofdstuk 1). In 13 gevallen lukte dat, en bij negen genen kon tevens worden vastgesteld op welke chromosoomarm ze liggen. Vier genen konden niet worden gelocaliseerd. Dit onderzoek resulteerde in de eerste genenkaarten voor de chromosomen 2R en 5R van rogge.Bij de in hoofdstuk 1 beschreven genlocalisatie werd gebruik gemaakt van reciproke translocaties: permanente uitwisselingen tussen niet-homologe chromosomen. Reeds lang is bekend, dat in het chromosoomsegment tussen het punt van uitwisseling ('translocatiebreukpunt') en het centromeer recombinatie doorgaans gereduceerd is. Dergelijke 'interstitible' segmenten zouden derhalve geschikt zijn als plaats voor een m.s.-gen. Een duidelijke uitzondering op de regel van lage interstitiële recombinatie wordt behandeld in hoofdstuk 2, waar het splitsingsgedrag in de nakomelinschap van een kruising tussen een translocatie en een interstitieel gelocaliseerd gen wordt beschreven. Zowel op grond van de waargenomen splitsing, als op basis van de frequenties van karakteristieke chromosoomconfiguraties gevormd tijdens de metafase van de reductiedeling ('MI-configuraties') in de translocatieheterozygoot kon worden geconcludeerd, dat bij deze translocatie een extreem hoge chiasmafrequentie in het interstitAle segment optreedt. Een vanuit theoretisch oogpunt belangwekkende gevolgtrekking uit dit onderzoek was, dat de centromeerorAntatie van translocatiemultivalenten in planten met (sub-)metacentrische chromosomen door interstitigle chiasmavorming kan veranderen van 'bij voorkeur zig-zag' in 'geen voorkeur'.Een aantal voorwaarden waaraan voldaan moet worden om twee typen gebalanceerde chromosoomsystemen te construeren, is beschreven in de hoofdstukken 3 en 5. Hoofdstuk 3 behandelt de isolatie van vier verschillende tertiaire trisomen: planten die naast het normale chromosoomcomplement een translocatiechromosoom bevatten. Tertiaire trisomen komen in een lage frequentie voor in de nakomelingschap van translocatieheterozygoten. Uit de experimenten beschreven in hoofdstuk 3 bleek, dat de aanwezigheid van een extra chromosoom in een translocatieheterozygoot deze frequentie aanzienlijk kan verhogen. Voorwaarde is,dat dit extra chromosoom compleet is: de aanwezigheid van een extra Itelocentrisch' chromosoom (bestaande uit slechts één van de twee armen van een normaal chromosoom) bleek de ontstaansfrequentie van tertiaire trisomen niet wezenlijk te beïnvloeden. Tevens kwam naar voren, dat de kans op tertiaire trisomen in de nakomelingschap groter is naarmate bij een MI-configuratie in de ouderplanten meer chromosomen betrokken zijn (tot zeven stuks in dit onderzoek). De vier gelsoleerde tertiaire trisomen bevatten alle een extra translocatiechromosoom dat korter is dan de gemiddelde lengte van de normale chromosomen; tertiaire trisomen met een 'lang' translocatiechromosoom extra konden niet worden verkregen.De isolatie van vier verschillende telotertiaire compenserende trisomen is beschreven in hoofdstuk 5. Het ontbreken van een normaal chromosoom wordt in dit type trisoom gecompenseerd door de aanwezigheid van een translocatie- en een telocentrisch chromosoom. De vier telotertiaire compenserende trisomen kwamen voor in de nakomelingschap van een aantal translocatieheterozygoten, waarin een telocentrisch chromosoom extra aanwezig was, of waarin twee telocentrische chromosomen de plaats in hadden genomen van een normaal chromosoom. Geheel in overeenstemming met wat op grond van theoretische overwegingen verwacht mocht worden, werd gevonden dat de frequentie van telotertiaire compenserende trisomen hoger is, naarmate het uitgewisseld segment van het translocatiechromosoom met de compenserende rol korter is. Een belangrijke constatering was, dat telotertiaire compenserende trisomen niet alleen korte, maar ook lange translocatiechromosomen kunnen bevatten. In vergelifting met tertiaire trisomen (hoofdstuk 3) betekent dit, dat uitgaande van een gegeven aantal translocaties, tweemaal zoveel verschillende telotertiaire compenserende trisomen geconstrueerd kunnen worden, waardoor de mogelijkheid om een geschikte plaats voor een m.s.-gen te vinden, wordt vergroot.Het gedrag van de vier tertiaire trisomen uit hoofdstuk 3 wordt beschreven in hoofdstuk 4. Het extra translocatiechromosoom van elk van deze trisomen bevat een stuk van chromosoom 5R met daarop het dominante allel van het 'tigrina' gen. De normale chromosomen dragen de recessieve allelen, zodat er sprake is van vier lgebalanceerdel tertiaire trisomen. Het tigrina gen veroorzaakt een gele dwarsstreping van het blad ('tijgering'). In zelfbevruchtingsnakomelingschappen van de vier gebalanceerde tertiaire trisomen werd geconstateerd dat recombinatie tussen dit gen en het translocatiebreukpunt erg laag is, zelfs in de twee trisomen waarbij gen en breukpunt aan weerszijden van het centromeer liggen, en ondanks het feit dat het tigrina gen betrekkelijk ver van het centromeer afligt. Aangezien onderzoek aan MI-configuraties uitwees dat overkruising in de chromosoomarm met het tigrina gen zeer frequent optreedt, moest worden geconstateerd dat een groot deel van de overkruisingen plaats heeft bij het uiteinde van deze chromosoomarm. Dit is in overeenstemming met conclusies uit ander onderzoek aan rogge, waarbij werd gevonden dat deze 'terminale chiasmalocalisatie' ook in andere chromosoomarmen voorkomt. Wordt hierdoor het gebied waarin een m.s.-gen zou kunnen liggen op zich al vergroot, ook de interstitiele segmenten van de vier bestudeerde extra translocatiechromosomen komen voor de locatie van het M.s gen in aanmerking: slechts in één tertiair trisoom kon worden aangetoond, dat interstitiele chiasmavorming optrad, in een frequentie van 1%. Overigens vond enige recombinatie ook plaats in een tertiair trisoom waarbij gen en breukpunt vlak bij elkaar lagen.Bij drie van de vier tertiaire trisomen kon worden aangetoond, dat het extra chromosoom via het stuifmeel op de nakomelingschap wordt overgebracht, echter in lage frequenties. Mannelijke transmissie kon niet worden vastgesteld bij het vierde tertiaire trisoom, maar door de proefopzet kon een geringe mannelijke transmissie onopgemerkt blijven. Aanwijzingen werden verkregen dat het transmissieniveau door selectie is te beinvloeden. Bovendien bleek dat in inteeltlijnen trisomen minder groeikrachtig zijn dan normale planten zonder extra chromosoommateriaal, waardoor bij voldoende dicht zaaien van de moederlijn een gering aantal trisomen zou kunnen worden weggeconcurreerd doornormaal groeikrachtige m.s-planten. Hiervan wordt in de hybride zaaizaadproductie van gerst gebruik gemaakt. Sporadisch traden tijdens de reductiedeling van tertiaire trisomen onregelmatigheden op, resulterend in nakomelingen met een gewijzigde chromosoomsamenstelling. Meestal waren deze planten niet in staat nakomelingen voort te brengen, en gezien hun geringe groeikracht zouden ook zij waarschijnlijk geblimineerd worden in concurrentie met normale buurplanten.Onderzoek aan de vier telotertiaire compenserende trisomen uit hoofdstuk 5 leidde in hoofdzaak tot dezelfde conclusies ten aanzien van recombinatie, chiasmalocalisatie, transmissie en meiotische stabiliteit als voor de onderzochte tertiaire trisomen.Hybride rogge is alleen economisch aantrekkelijk, wanneer de extra zaaizaadkosten van een hybride ras worden gecompenseerd door de extra baten verkregen door het verbouwen ervan. De zaaizaadproductie moet daarom tegen zo laag mogelijke kosten worden gerealiseerd. Hiervoor zijn arbeidsbesparende letaliteitsgenen beschikbaar of kunnen met betrekkelijk gemak worden g&induceerd door mutagene behandelingen. Ook het aantal m.s.-genen zou langs deze weg kunnen worden verhoogd. Vooralsnog lijkt het aantal beschikbare translocaties en andere chromosoomafwijkingen voldoende groot om enkele voor hybrideveredeling geschikte gebalanceerde chromosoomsystemen op te zetten. Wel dient het dominante m.s.-allel absoluut gekoppeld te zijn met de translocatiebreukpunten van het extra chromosoommateriaal om mannelijke fertiliteit in de moederlijn te voorkomen. Indien, om wat voor reden dan ook, een dergelijke koppeling niet te verwezenlijken is, maar een iets zwakkere wel, dient nagegaan te worden of een beperkte afname van de prestatie en de uniformiteit van de hybride te toleren is.