An analysis of heterotic potential for agronomically important traits in sunflower (Helianthus annuus L.)

SUMMARY Study of inbreeding and heterosis in sunflower has been taking place for over 80 years now. Practical application of the phenomenon of heterosis in this species began after the discovery of a suitable source of cytoplasmic male sterility in 1969 and that of restorer genes. Many authors have reported significant manifestation of heterosis for seed yield and yield components as well. Also, the mode of inheritance of agronomically important traits in the F1 and F2 generations has been thoroughly examined. Positive correlations for yield have been established between parental lines and F1 hybrids. The GCA and SCA for yield and yield components have been well studied. Solutions have been suggested on how to increase the harvest index and sink capacity as well as the contributions of individual physiological parameters in the process of yield augmentation. In order to increase heterotic effects for seed yield and oil yield and direct and indirect yield components, it is necessary to increase the genetic variability of pre-breeding materials, achieve improved efficacy at the inbreeding stage, and streamline and accelerate the process of GCA and SCA evaluation using molecular markers and other biotechnology methods in order to achieve breeding goals. Seed oil content should be increased to over 55% using recurrent selection methods. Special focus in breeding programs should be placed on the development of high-oleic hybrids (>95%) with a high genetic potential for oil yield, resistance to the dominant diseases, and wide environmental adaptability that would be used for industrial purposes (production of biodiesel, or hydrogen). In order to extent the duration of sunflower oil stability, beta, gamma and delta tocopherols should be incorporated instead of alpha ones alongside the Ol genes. The exiting genetic variability of the cultivated sunflower makes it possible to develop hybrids with a genetic potential for seed yield of over 6 t/ha and seed oil content of over 55%. Most often, however, sunflower yields obtained in large-scale commercial sunflower production are in the 1.5-3.0 t/ha range. There are multiple limiting factors preventing the realization of the high genetic potential of this crop. Their removal will enable commercial sunflower yield to stabilize at levels of 4 t/ha and above. Diseases are the main limiting factor affecting sunflower production in all sunflower-growing parts of the world. Development of exotic germplasm through further use of wild sunflower species, distant hybridization and genetic transformations should be used to provide genes for resistance to all dominant pathogens and broomrape. Efficient breeding methods should be employed to increase sunflower tolerance of air and soil drought and salinity and to attain wider resistance to herbicides. RESUMEN Las investigaciones de consanguinidad (endocria) y de heterosis en girasol, se están realizando desde hace más de 80 añs. La aplicación práctica del fenómeno de heterosis en esta especie, empezó tras el descubrimiento de la fuente de esterilidad masculina citoplasmática oportuna, en el año 1969 y el descubrimiento del gen de restauración de fertilidad. Muchos autores registraron una significante presentación de heterosis para el rendimiento de la semilla y componentes del rendimiento. También fue investigado detalladamente el modo de heredar las características agronómicas importantes en las generaciones F 1 y F 2 . Se han establecido correlaciones positivas entre las líneas parentales y el híbrido F 1 . OKS y PKS para el rendimiento y las componentes de rendimiento, resultan bien estudiados. Se ofrecieron las soluciones de cómo incrementar el índice de cosecha y la capacidad del aceptador del asimilado tanto como la contribución de los parámetros fisiológicos individuales en el proceso de incremento del rendimiento. Para incrementar el efecto de heterosis para el rendimiento de semilla y las componentes de rendimiento directas e indirectas, es preciso incrementar la variabilidad genética del material de preselección, incrementar la eficacia de la fase de consanguinidad y promover y acelerar el proceso de valoración de OKS y PKS utilizando los marcadores moleculares y otros métodos biotecnológicos. El contenido de aceite en la semilla debe ser aumentado por encima de 55% utilizando el método de selección recurrente. Una atención especial de los programas de selección debe prestarse en creación de los híbridos alto oleicos (>95%) con alto potencial genético para el rendimiento de aceite, resistencia a las enfermedades dominantes y amplia adaptabilidad, que se utilicen con fines industriales (producción de biodiesel o hidrógeno). Para prolongar la estabilidad del aceite de girasol, es preciso introducir beta, gama y delta tocoferoles en vez de alfa tocoferol, tanto como los genes Ol. La variabilidad génica existente del girasol cultivado, posibilita la creación de los híbridos con el potencial genético para el rendimiento de semilla por encima de 6 t/ha y con el contenido de aceite por encima de 55%. Pero, los rendimientos de girasol en la producción comercial más a menudo oscilan entre 1,5 y 3,0 t/ha. Existen muchos factores limitadores que impiden la realización de altos potenciales genéticos de este cultivo. Su solución posibilitará que el rendimiento de girasol se estabilice en el nivel de 4 t/ha o más. Las enfermedades representan el principal factor limitador que influye en la producción de girasol en todas las partes del mundo en los cuales se produce girasol. La creación de una germoplasma exótica, a través de continuación de la utilización de las especies silvestres de girasol, la hibridación de las especies lejanas y la transformación genética, debe ser utilizada para la creación de un gen de resistencia hacia todos los patógenos dominantes y el jopo del girasol. Los métodos de selección eficaces deben ser utilizados con el fin de aumentar la tolerancia del girasol hacia la sequía aérea y del terreno de salinidad del terreno, y de lograr una más amplia resistencia hacia herbicidas. RÉSUMÉ L’étude de l’autogamie et de l’hétérosis du tournesol se fait depuis plus de 80 ans. L’application pratique du phénomène d’hétérosis dans cette espèce a commencé après la découverte d’une source de stérilité cytoplasmique mâle favorable en 1960 et de celle de gènes de restauration. De nombreux auteurs ont rendu compte d’une manifestation importante d’hétérosis pour le rendement en graines aussi bien que pour les composantes du rendement. De plus, le mode d’hérédité d’importantes caractéristiques agronomiques dans les générations F 1 et F 2 a été examiné en détail. Des corrélations positives importantes ont été établies entre les lignées parentales dans les hybrides F 1 . Les effets de AGC et de ASC pour le rendement et les composantes de rendement ont été étudiés à fond. Des solutions sur la manière d’augmenter l’index de moisson et de capacité sink ainsi que les contributions des paramètres physiologiques individuels dans le procédé d’augmentation du rendement ont été suggérées. Pour augmenter les effets d’hétérosis sur le rendement en graines et en huile et les composantes directes et indirectes du rendement, il faut augmenter la variabilité génétique du matériel de présélection, augmenter l’efficacité des phases d’autogamie et développer et accélérer le procédé d’évaluation de AGC et de ASC en utilisant les marqueurs moléculaires et les autres méthodes de la biotechnologie. Il faut augmenter le contenu d’huile dans la graine à plus de 55% en utilisant la méthode de sélection récurrente. Dans les programmes de sélection, il faut accorder une attention particulière au développement d’hybrides à haute teneur oléique (>95%), à grand potentiel génétique pour le rendement d’huile, à résistance aux maladies dominantes et à grande adaptabilité à l’environnement qui pourraient être utilisés dans des buts industriels (production de biodiesel ou d’hydrogène). Pour prolonger la stabilité de l’huile de tournesol, il faut incorporer des tocophérols bêta, gamma et delta plutôt que des tocophrols alpha, parallèlement aux gènes Ol. La variabilité génétique actuelle du tournesol de culture permet la création d’hybrides à potentiel génétique pour un rendement de graines de plus de 6 t/ha et avec contenu d’huile de plus de 55%. Cependant, les rendements du tournesol dans la production commerciale varient le plus souvent entre 1,5 et 3,0 t/ha. Il existe de nombreux facteurs limitatifs qui empêchent la réalisation des grands potentiels génétiques de cette culture. Leur élimination permettra au rendement du tournesol de se stabiliser à un niveau de 4 t/ha ou plus. Les maladies sont le facteur limitatif principal de la production du tournesol dans toutes les régions du monde où on le cultive. La création de plasmas germinatifs exotiques par l’utilisation additionnelle d’espèces de tournesol sauvage, l’hybridation d’espèces éloignées et la transformation génétique doivent être utilisées dans la création de gènes résistants à tous les pathogènes dominants et à l’orobanche. Il faut utiliser des méthodes de sélection efficaces pour augmenter la tolérance à la sécheresse de l’air et du sol et à la salinité et pour obtenir une plus grande résistance aux herbicides.