Μελέτη της γενετικής παραλλακτικότητας με φαινοτυπική και μοριακή αξιολόγηση μεταξύ και εντός παραδοσιακών πληθυσμών φασολιού (phaseolus coccineus) για χαρακτηριστικά παραγωγικής συμπεριφοράς και ποιότητας εδώδιμου προϊόντος

Abstract

The objectives of this study was the genetic analysis of three local P. coccineus populations and the evaluation of two breeding methods for their effectiveness to produce varieties adapted to organic farming. The objectives of this study divided in four topics: i) the study of the populations genetic identity through molecular and phenotypic markers, ii) the effectiveness of the two methodologies for the yield trait, iii) a preliminary study of the reproduction behavior through selfing and iv) the evaluation of the two breeding methodologies effectiveness in optimum and stress environments. The genetic material was three Co populations (Distrato-Grevena, Ag Germano-Prespes and Zagora). All three populations belong to the species of P. coccineus. The phylogenetic relationships of the above mentioned populations, was studied using RAPDs and phenotypic characteristics described by UPOV. Divergent selection was applied for both breeding methods (mass selection and modified pedigree selection) under organic farming at the farm of the University of Thessaly for three years (2004-2006). After three cycles of divergent mass selection for high and low yield derived the populations C1M-HY, C2M-HY, C3M-HY and C2M-LY, C3M-LY respectively. In the same manner following divergent selection for high and low yield using the modified pedigree selection the populations C1P-HY, C2P-HY, C3P-HY and the C2P-LY, C3P-LY were formed respectively. To study the reproductive behavior, selfings were carried out in selected plants from each population forming S1 families. Evaluation of all S1 families within each population was carried out next year using a CRD experimental design with nine replications on a per plant basis. Furthermore isolated S1 plants were selfed to for S2 families for each S1 plant. All the above mentioned genetic material, populations for high and low yield of both methodologies along with the S1 and S2 families were evaluated in two environments optimum (Velestino) and stress (M. Perivolaki). Data for topic I shown, that all three populations were climbing and genetic variability was evident, based on molecular and phenotypic characteristics. The populations Prespes and Zagora consisted of a percent of plants having red flowers. All populations were classified in distinct clusters according to UPOV classification. According to the molecular data analysis the two of them Prespes and Zagora formed a close cluster whereas Grevena seemed to differ from the other two. The PCA analysis (in two main principal components), based on physicochemical and organoleptic characteristics, shown that all three populations were different. Data of panel test shown that the population Grevena was close related with the organoleptic characteristics of total acceptance and sweet taste and Prespes characterized of juiciness. Based on data from reproductive behaviour the selfed plants yielded 70% less than the open pollinated plants which means that cross pollination contributes for roughly 2/3 of total yield. According to the data of the evaluation in two locations, genetic gain was evident for all populations and for both methodologies. Prespes population, suffered the lowest inbreeding depression for yield, and seemed to be adapted better to the method of the modified pedigree selection. Using this method Prespes appeared to have the highest genetic gain per cycle for grain yield. The other two populations Zagora and Grevena were adapted better to mass selection where the shown the highest genetic gain per cycle. The two abovementioned population suffered from inbreeding depression the same or higher than Grevena.

Σκοπός της εργασίας ήταν η γενετική μελέτη παραδοσιακών πληθυσμών του είδους Phaseolus coccineus, και η εκτίμηση της αποτελεσματικότητας επιλογής δύο μεθοδολογιών βελτίωσης, για τη δημιουργία ποικιλιών φασολιού κατάλληλων στην οργανική γεωργία. Ο σκοπός της εργασίας παρουσιάζεται σε συγκεκριμένες ενότητες και αναλύεται: (I) στην μελέτη της γενετικής ταυτότητας και το χαρακτηρισμό της παραλλακτικότητας τριών παραδοσιακών πληθυσμών με βάση φαινοτυπικούς και μοριακούς δείκτες, (II) στην επιλογή για βελτίωση της παραγωγικής συμπεριφοράς των εξεταζόμενων γενοτύπων με δύο μεθοδολογικές προσεγγίσεις, (III) στη διερεύνηση της αναπαραγωγικής συμπεριφοράς του είδους μέσω ελεγχόμενων αυτογονιμοποιήσεων και (IV) στην αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας των δύο μεθοδολογιών στο περιβάλλον δημιουργίας του γενετικού υλικού και στον έλεγχο του γενετικού δυναμικού σε περιβάλλον καταπόνησης. Το γενετικό υλικό αποτέλεσαν τρεις παραδοσιακοί C0 πληθυσμοί (Δίστρατου Γρεβενών, Αγ. Γερμανού Πρεσπών και Ζαγοράς) που ανήκουν στο είδος P. coccineus. Η μελέτη των φυλογενετικών σχέσεων μεταξύ των εξεταζόμενων γενοτύπων έγινε μέσω γενετικών αναλύσεων με χρήση εκκινητών τύπου RAPD’s και ταυτόχρονης καταγραφής των μορφολογικών χαρακτηριστικών κατά UPOV. Η βελτίωση των πληθυσμών φασολιού έγινε με την εφαρμογή αμφίπλευρης επιλογής με δύο μεθοδολογίες (μαζική και τροποποιημένη γενεαλογική επιλογή) κάτω από συνθήκες οργανικής καλλιέργειας στον αγρό του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας κατά την τριετία 2004-2006. Μετά από τρεις γενιές αμφίπλευρης επιλογής, προέκυψαν με τη μαζική οι υψηλοαποδοτικοί πληθυσμοί C1 M-HY, C2 M-HY, C3 M-HY και οι χαμηλοαποδοτικοί πληθυσμοί C2 M-LY και C3 M-LY αντίστοιχα, ενώ με τη μεθοδολογία τροποποιημένης γενεαλογικής επιλογής, προέκυψαν 3 υψηλοαποδοτικές οικογένειες ανά κύκλο (C1 Pedigree-HY, C2 Pedigree-HY και C3 Pedigree-HY) και ανά ποικιλία και 3 χαμηλοαποδοτικές οικογένειες ανά κύκλο (C1 Pedigree-LY, C2 Pedigree-LY και C3 Pedigree-LY) και ανά ποικιλία. Όσον αφορά τη μελέτη της αναπαραγωγικής συμπεριφοράς, εφαρμόστηκαν ελεγχόμενες αυτογονιμοποιήσεις σε φυτά όλων των οικογενειών από κάθε ποικιλία και δημιουργήθηκαν S1 απόγονοι. Την επόμενη χρονιά αξιολογήθηκαν οι S1 οικογένειες σε πλήρως τυχαιοποιημένο σχέδιο (CRD) με εννέα επαναλαμβανόμενες τιμές και παράλληλα εγκαταστάθηκε αγρός απομόνωσης για την αυτογονιμοποίηση των S1 οικογενειών, προκειμένου να δημιουργηθούν S2 οικογένειες. Τέλος, το σύνολο του παράγωγου γενετικού υλικού μετά την εφαρμογή των δύο μεθοδολογιών βελτίωσης (μαζική και τροποποιημένη γενεαλογική επιλογή) αξιολογήθηκε σε δύο περιβάλλοντα, στον πειραματικό οργανικό αγρό δημιουργίας (Βελεστίνο) και σε οργανικό αγρό καταπόνησης (Μ. Περιβολάκι). Με βάση τα αποτελέσματα της ενότητας (I), οι τρεις ποικιλίες ήταν αναρριχώμενες, ενώ παρατηρήθηκε παραλλακτικότητα μεταξύ των εξεταζόμενων λευκόσπερμων πληθυσμών από την φαινοτυπική και μοριακή αξιολόγησή τους. Συγκεκριμένα στους πληθυσμούς των Πρεσπών και της Ζαγοράς προέκυψαν φυτά με κόκκινα άνθη, ενώ και οι τρεις πληθυσμοί κατατάχθηκαν σε διαφορετικό τύπο φύλλου κατά UPOV. Από τη μοριακή ανάλυση του DNA, των εξεταζόμενων γενοτύπων και βάση του δενδρόγραμματος φυλογενετικών σχέσεων, βρέθηκε ότι όλοι οι πληθυσμοί διαφέρουν μεταξύ τους και περισσότερο συγγενής φαίνονται να είναι των Πρεσπών και της Ζαγοράς, ενώ των Γρεβενών έχει γενετική απόσταση με τους δύο πληθυσμούς. Η ανάλυση PCA σε δύο κύριες συνιστώσες για τη μελέτη των φυσικοχημικών χαρακτηριστικών, έδειξε ότι οι τρεις εξεταζόμενες ποικιλίες ομαδοποιούνται ξεχωριστά. Η οργανοληπτική εξέταση διαφοροποίησε τις τρεις ποικιλίες του είδους P.coccineus. Η ποικιλία των Γρεβενών σύμφωνα με το πάνελ των δοκιμαστών για τα δύο έτη οργανοληπτικών εξετάσεων, φαίνεται να χαρακτηρίζεται από την ολική εκτίμηση και την γλυκιά γεύση, ενώ των Πρεσπών χαρακτηρίστηκε χυμώδης. Με βάση τα αποτελέσματα του ελέγχου αναπαραγωγικής συμπεριφοράς, βρέθηκε ότι και στους τρεις πληθυσμούς, τα HS φυτά που αυτογονιμοποιήθηκαν έδωσαν περίπου το 1/3 σε βάρος σπόρων έναντι των ελεύθερα επικονιαζόμενα HS φυτών και συνεπώς η απουσία της σταυρογονιμοποίησης, εκφράστηκε με αισθητή μείωση του παραγωγικού δυναμικού των αυτογονιμοποιούμενων HS φυτών εντός των οικογενειών. Σύμφωνα με τα δεδομένα του πειράματος βρέθηκε ότι υπήρχε γενετικό κέρδος και στα δύο σχήματα επιλογής, το οποίο κυμάνθηκε ανάλογα με τον πληθυσμό. Με δεδομένο ότι οι πληθυσμοί εμφάνισαν ομομεικτική εξασθένιση και στους δύο κύκλους αυτογονιμοποίησης, θα μπορούσε να ειπωθεί ότι η μαζική επιλογή είναι θετική σε επίπεδο πληθυσμού αφού προστατεύει την ισορροπία χωρίς σημαντικές απώλειες ενώ αντίθετα η γενεαλογική είναι αποτελεσματικότερη σε επίπεδο καθαρού γενετικού κέρδους όπως αυτό εκφράστηκε μέσω του μικρού αριθμού των τελικά επιλεγόμενων ημισυγγενικών σειρών. Με βάση την παρατήρηση, ότι οι επιλεγμένες υψηλοαποδοτικές οικογένειες των Πρεσπών εμφάνισαν το μεγαλύτερο μέσο κέρδος ανά έτος μετά από τρεις κύκλους γενεαλογικής επιλογής, για τα συστατικά της απόδοσης και σε συνδυασμό με το γεγονός ότι ο γενότυπος των Πρεσπών παρουσίασε την μικρότερη ομομεικτική επίδραση, μετά από δύο κύκλους αυτογονιμοποίησης, οδηγεί στο συμπέρασμα ότι ο συγκεκριμένος γενότυπος ανταποκρίθηκε καλύτερα στην μεθοδολογία της τροποποιημένης γενεαλογικής επιλογής. Αντίθετα οι υψηλοαποδοτικοί πληθυσμοί των γενοτύπων Ζαγοράς και Γρεβενών εμφάνισαν το μεγαλύτερο μέσο κέρδος ανά έτος μετά από τρεις κύκλους μαζικής επιλογής. Επίσης οι επιλεγμένες οικογένειες των δύο αυτών γενοτύπων εμφάνισαν το μικρότερο μέσο κέρδος ανά έτος μετά από τρεις κύκλους γενεαλογικής επιλογής, για τα συστατικά της απόδοσης και σε συνδυασμό με το γεγονός ότι παρουσίασαν την μεγαλύτερη ομομεικτική επίδραση, μετά από δύο κύκλους αυτογονιμοποίησης, φάνηκε ότι οι συγκεκριμένοι γενότυποι ανταποκρίθηκαν καλύτερα στην μεθοδολογία της μαζικής επιλογής.