Tema 3: Técnicas que se utilizan en el mejoramiento A: Poliploides. Mutación. Variación en el número de cromosomas El hombre puede ser crear variabilidad en una especie mediante la manipulación del número de cromosomas. Genoma: es el juego básico de cromosomas para la especie. Tiene sólo un cromosoma de cada clase. El número básico (monoploide) de cromosomas se designa con x, el gamético (haploide) como n y el somático (diploide) es 2n. Cuando nos referimos al número de cromosomas en una especie es importante indicar si la referencia es hecha al número cromosomas monoploide (juego básico), haploide o diploide. Número de cromosomas
Maíz
Trigo
Monoploide (básico) Haplode (gamético) Diploide (somático)
x = 10 n = x = 10 2n = 2x = 20
x=7 n = 3x = 21 2n = 6x = 42
Un individuo se llama euploide cuando el número de cromosomas es múltiplo del juego básico de la especie o aneuploide si el número de cromosomas varía por adición o pérdida de cromosomas. Poliploides Los Poliploides son euploides en los que sus células somáticas poseen número de cromosomas múltiplo del juego básico (x): triploides (3x), tetraploides (4x), pentaploides (5x), hexaploides (6x), heptaploides (7x), octoploides (8x). Pueden surgir por duplicación del genoma de una misma especie (autoploide o autopoliploide) o por combinación de genomas de 2 o más especies no relacionadas (aloploide o alopoliploide). Un alopoliploide que se origina de la combinación de dos diploides diferentes se llama alotetraploide o anfidiploide. Los autoploides creados por duplicación del juego disómico de una especie diploide se llama autotetraploide. Los poliploides con número de genomas impar (triploide o pentaploide) son generalmente infértiles; los cromosomas no se pueden aparear y no forman gametas ni semilla como ocurre en bananos. En sandías (triploide) hay que sembrar plantas diploides intercaladas que produzcan polen. Muchas especies cultivadas han evolucionado en la naturaleza como poliploides. Entre el 30 y el 50% de las angiospermas son poliploides. Aproximadamente 70% de las familias de los pastos y 23 % de las leguminosas son poliploides, la mayoría es alopoliploide. Inducción a la poliploidía Natural: En la naturaleza encontramos alopoliploides como algodón, festuca, trigo, tabaco y avena y autopoliploides como papa, pasto ovillo (Dactylis glomerata), batata, alfalfa. Ambas clases surgen como resultado de gametas no reducidas que contienen el número somático de cromosomas. Esto puede ocurrir tanto en la formación de gametas femeninas (óvulos) como en las masculinas (polen). Pueden ocurrir los siguientes cruzamientos: 2n por n n por 2n 2n por 2n
femenino no reducido y masculino reducido femenino reducido y masculino no reducido ambas no reducidas
El pasto ovillo es autotetraploide; la subespecie diploide a veces forma óvulos y granos de polen 2n dando como resultado al pasto ovillo 4x. Guía Tema 3: Elementos que se utilizan en mejoramiento Año 2014
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Se piensa que los poliploides espontáneos (auto y alo), se originan de cruzamientos entre especies similares o relacionadas a través de gametas no reducidas. Artificial: Una planta diploide normal puede ser inducida a la poliploidía originando un autotetraploide o si es producto de un cruzamiento entre dos genomas de distintas especies resultará un alotetraploide. Hay productos químicos que inducen a la poliploidía como la colchisina (alcaloide extraído de semillas o bulbos de azafrán silvestre, Colchicum autumnale). Actúa disociando los husos impidiendo la migración de cromosomas hijos a los polos y los núcleos seguidamente sufren la mitosis normalmente dando origen a tejido poliploide. La colchicina se aplica a semillas en germinación, plantas jóvenes, raíces o cualquier región meristemática, en solución acuosa, pulverizando o frotando con pasta de lanolina. Los resultados varían según la concentración de la solución, temperatura, duración del tratamiento y presencia de adyuvantes (dimetil sulfóxido); también dependen de la especie y la región tratada. Los sectores poliploides pueden ser identificados por producir hojas morfológicamente alteradas, células de mayor tamaño, más cloroplastos. En pasturas se hace tratamientos de tallos y en dicotiledóneas, de yemas. Se debe remover tallos o ramas adyacentes para permitir el desarrollo del poliploide. Autopoliploides inducidos artificialmente: Son de baja fertilidad en comparación a los padres diploides. Se puede aumentar el tamaño de las flores en ornamentales: una planta diploide AA por duplicación de los cromosomas pasa a AAAA. Pueden no producir semilla fértil pero si admiten propagación vegetativa (ciertas ornamentales, forrajeras y tubérculos) no sería un problema. Alopoliploides inducidos artificialmente: Para que un alopoliploide sea exitoso es importante la relación entre los genomas de los progenitores. Éstos deben estar suficientemente relacionados para que al cruzarse produzcan semilla viable o embriones cultivables en la progenie y el poliploide resultante AB sea suficientemente viable y normal para alcanzar la madurez. Características de los poliploides En éstos la frecuencia de los caracteres de herencia simple es más compleja que en diploides por ello, para determinar la herencia de sus caracteres cuantitativos, se necesita más progenies que en diploides. En un diploide (con alelos A y a) se forman 3 genotipos: AA, Aa y aa. En un tetraploide los genotipos que se forman son: AAAA cuadriplexo AAAa triplexo AAaa diplexo Aaaa simplexo aaaa nuliplexo Si el alelo A es dominante todos los genotipos exhibirán la característica salvo el nuliplexo. Si los autofecundamos las proporciones fenotípicas serán: AAAA 1 AAAa 8 AAaa 18 Aaaa 8 aaaa 1
A A A A a
35 A 1a
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Los autopoliploides en el mejoramiento vegetal Cada especie tiene su nivel de ploidía óptimo. El aumento del número de cromosomas no es favorable en todas las especies: maíz presenta máximo vigor a nivel diploide 2n = 2x = 20; cuando se induce a la tetraploidía es inferior. El bananero diploide produce mucha semilla y es inaceptable para consumo humano. Alfalfa, maní, papa, café y lirio tienen su máximo vigor a nivel tetraploide. La zarzamora no responde a los diferentes niveles de ploidía, su vigor es constante desde 2 x a 12 x. Las técnicas para producir ploidía por inducción de diploides son simples aunque pocos poliploides inducidos fueron exitosos. Se debe tener en cuenta 3 principios como guía: La técnica de aumentar el nivel de ploidía es más útil en cultivos en los que se cosecha las partes vegetativas (forrajes, raíz, flores, hojas) que en los que se cosecha semilla. Se obtuvo mayor vigor por duplicación de juegos cromosomas en plantas diploides con bajo número de cromosomas. Los autopoliploides de alógamas son más exitosos que los de autógamas pues se promueve la recombinación de genes entre los poliploides creados y aumenta la probabilidad de obtener genotipos avanzados. El comportamiento de los individuos como diploides no es un indicador confiable de su comportamiento como tetraploides. Para encontrar un genotipo superior en poliploides es necesario convertir un amplio número de diploides en tetraploides e iniciar un nuevo programa de mejoramiento para éstos. Hay pocos ejemplos de éxitos en autopoliploides: remolacha azucarera, nabo y remolacha forrajera en Europa. En remolacha azucarera cultivada hay triploides y tetraploides pero la mejor es triploide. Los niveles de ploidía como puentes en cruzamientos interespecíficos: Los autopoliploides pueden ser usados como puente entre cruzamientos interespecíficos y transferir genes a través de especies diferentes. Esto se logra cruzando un diploide cuyo juego de cromosomas fue duplicado, con un tetraploide estrechamente relacionado. colchisina Especie diploide
autotetraploide x especie tetraploide
Los alopoliploides en el mejoramiento vegetal Aloploides incluyen cultivos económicamente importantes como trigo, avena, algodón, tabaco, caña de azúcar, festuca y mostaza. No se conoce bien los genomas originales de ancestros de estas especies poliploides. Trigo común, algodón upland, tabaco y varias especies de mostaza son poliploides muy estudiados cuyos ancestros han sido identificados. Usos Identificación del origen genético de las especies de plantas poliploides: es reconocida la aloploidía en la evolución de ciertos cultivos como trigo, tabaco, algodón y otros cultivos. Producción de nuevas plantas y especies: triticale. Se ha intentado durante muchos años copiar el rol de la naturaleza en la evolución y finalmente se logró combinar trigo con centeno (2n = 2x = 14) para formar el triticale, autógama que se propaga por semilla (especies alógamas para producción de forrajes o raíces). El principal objetivo fue combinar la calidad del trigo con la resistencia del centeno. Se usa para alimento de ganado. Guía Tema 3: Elementos que se utilizan en mejoramiento Año 2014
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Facilitar la transferencia de genes desde especies relacionadas. Es el caso de la transferencia de genes para fibra resistente desde Gossypium thurberi, diploide (2n = 2x = 26) DD, a G. hirsutum, tetraploide (2n = 4x = 52) AADD, pero antes hubo que crear un anfidiploide o alotetra cruzando G. thurberi por G. arboreum AA (2n = 2x = 26). El anfidiploide AADD (2n = 4x = 52) resultante se cruzó con la especie cultivada G. hirsutum. En este caso el anfidiploide es usado para evitar la esterilidad en el híbrido F1. Aneuploides Organismos cuyo número somático de cromosomas no es múltiplo del número haploide. Tienen un set incompleto de cromosomas. Ejemplo de aneuploides son Nulisómicos Monosómicos trisómicos tetrasómicos
2n 2n 2n 2n
– 2 (euploide menos 1 par de cromosomas) – 1 (euploide menos 1 cromosoma) + 1 (euploide más 1 cromosoma) + 2 (euploide más 1 par de cromosomas)
Los aneuploides surgen por accidentes citológicos que producen gametas desbalanceadas. Los trisómicos pueden surgir de gametas n + 1 unidas a gametas n y forma plantas 2n + 1. Los monosómicos pueden surgir de gametas n + 1. Los aneuploides son herramientas genéticas para identificar cromosomas en los que hay un gen específico o para sustituir un cromosoma específico dentro de un genotipo. Con esta técnica se puede identificar el cromosoma portador de un gen pero no las relaciones de ligamiento con otros genes del cromosoma. Haploides Son plantas cuyo número de cromosomas es el gamético. Plantas monoploides son plantas haploides producidas desde especies diploides, como en maíz o cebada; tienen un solo genoma. El haploide de especies poliploides se llama polihaploide. Ocurre con baja frecuencia y se observa en sorgo, trigo, cebada, centeno, lino, tabaco, algodón, arroz y otros. Son plantas más pequeñas que las diploides. Uso De la planta haploide se produce un homocigota diploide duplicando el juego de cromosomas en una sola generación (las líneas endocriadas necesitan varias generaciones de autofecundaciones). Para estudios de mutación: una mutación recesiva se observa inmediatamente. Selección de alelos dominantes que están ocupando el locus. En autoincompatibles los haploides ofrecen la posibilidad de generar plantas homocigotas. Técnicas para producir haploides En maíz la identificación y diploidización de haploides naturales uno de mil granos tendrá embrión haploide = 10; surge por partenogénesis desarrollado de un embrión no fertilizado; 1 de diez llegará a madurar y dará diploides completamente homocigotas. Cultivo de anteras: Polen: esto se hace en tabaco, arroz, trigo alfalfa, cebada, triticale, papa, etc. Mutación Una mutación es un súbito cambio en el material heredable de la célula. Puede ser génica (cambios moleculares dentro de los límites físicos de los genes) o cromosómica Guía Tema 3: Elementos que se utilizan en mejoramiento Año 2014
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(reordenamiento, duplicación de segmentos cromosómicos). Puede incluir la pérdida o duplicación de cromosomas enteros. La mayoría de las mutaciones son deletéreas o perjudiciales y muchas son letales. Se la puede detectar si ocurre un cambio fenotípico (características morfológicas visibles): altura de planta, color de pericarpio, marca en la hoja, deficiencia en clorofila, vestigio de órganos, textura del endosperma, densidad de espiga, etc. La mayoría de los estudios de mutaciones se han hecho en maíz. Tipos de mutaciones La mutación de genes puede ser recesiva (más comunes): de A a a o dominante: de a a A. Si ésta ocurre en el tejido somático de un homocigota los efectos no se expresan hasta la siguiente generación porque en los mutantes homocigotas (de AA a Aa) cambia sólo un gen y el gen dominante remanente en el heterocigota enmascarará el efecto del alelo mutante recesivo. Por auto polinización ocurrirá segregación originando plantas mutantes (aa) en la próxima generación. Cuando la mutación ocurre en tejidos somáticos, sólo un pequeño sector de la planta (quimera) portará los genes mutantes: una yema o rama que se desarrolla desde las células en las que ocurrió la mutación. El resto de la planta no es afectado. Si una mutación recesiva ocurre en las gametas y se junta con una gameta portadora de un alelo dominante, la semilla formada dará origen a una planta heterocigota y la segregación será expresada en la progenie. De acuerdo a su origen las mutaciones pueden ser: espontáneas (ocurren en la naturaleza) o inducidas (por un agente mutagénico). No hay distinción entre ambas, una mutación espontánea puede haber sido inducida pues todas las plantas están sujetas a bajas dosis de radiación natural. Inducción de mutaciones Agentes mutagénicos: Los principales han sido las radiaciones ionizantes: rayos X, gamma, neutrones, ultravioletas y láser. Los rayos X fueron más usados en ensayos tempranos (equipamiento disponible y fácilmente operable), se podía tratar semillas, plantas o polen con dosis precisas. Con el desarrollo de reactores nucleares fueron posibles las radiaciones con neutrones que produce mayor daño a los cromosomas que los rayos X y se usa principalmente en semillas. Los rayos gamma, emitidos por cobalto radiactivo, causan poco daño a las células y se usa para planta entera o parte de la misma incluyendo polen. El uso de rayos láser es el más reciente. Todos los tipos de radiación deben ser usados con extrema precaución y con operadores con experiencia en el manejo del equipamiento. La dosis de radiación está determinada por la intensidad de las mismas y el tiempo de exposición. Se expresa en unidades Roentgen (r). Los mutagénicos químicos son preferidos a las radiaciones por ser de aplicación simple y producir pocos efectos dañinos. El más usado es el etilmetano sulfonato (EMS), un agente alquílico (cancerígeno, usar con precaución). El tratamiento es simple: se humedece semillas, brotes, raíces y yemas dormidas. La concentración y la duración del tratamiento varían según la parte de la planta a tratar. Los mutagénicos químicos son menos drásticos en sus efectos que las radiaciones ionizantes produciendo más mutaciones en los genes y poca destrucción de cromosomas. Normalmente se hace tratamiento de semillas porque los factores ambientales (humedad, temperatura y nivel de oxígeno) son controlados más fácilmente que en plantas vivas; se puede tratar un gran número de semillas y pueden ser almacenadas sin daños. La dosis debe ser suficiente para matar el 50% de las semillas para obtener el máximo número de mutaciones. Con mutagénicos químicos las semillas son humedecidas en una solución del agente mutagénico y sembradas inmediatamente. Guía Tema 3: Elementos que se utilizan en mejoramiento Año 2014
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Identificación: usaremos M para señalar cualquier agente mutagénico: M1 indica la primera generación después de tratadas con el agente mutagénico, M2 la segunda y así sucesivamente. Las plantas M1 obtenidas de las semillas tratadas serán de un vigor menor y muchas de las que sobrevivan hasta la madurez serán estériles y no producirán semillas. En semillas de cereales como trigo, las células presentes en el embrión dormido originarán los tallos. Si una mutación ocurre en una de estas células, el gen mutante será transportado por el tallo desarrollado desde esa célula y únicamente en ese tallo. Una mutación dominante se expresará inmediatamente en el tallo. Una mutación recesiva no producirá un efecto visible sobre el tallo pero su progenie segregará para el carácter mutante. Como casi todas las mutaciones son recesivas, la generación M2 será la segregante. Además de semillas se puede tratar polen, plantas vivas o partes de plantas. Si se trata polen y se induce una mutación recesiva, todas las partes o brotes de las plantas M1 serán heterocigotas por la mutación inducida. Como desventaja encontramos que en algunas especies es difícil obtener suficiente polen o la viabilidad del mismo puede ser corta para sobrevivir al tratamiento. Puede usarse mutagénicos químicos o radiaciones. Las dosis son menores que para semillas. Las mutaciones pueden ser inducidas en plantas que son propagadas vegetativamente (caña, banana, pasto bermuda, cultivos frutícolas y ornamentales) con el objeto de crear variabilidad. El tratamiento se realiza sobre cualquier porción de la planta que pueda dar origen a una yema. Mutación en cultivo de células somáticas El cultivo de células somáticas originado de tallos, hojas, órganos florales o tejidos meristemáticos, son nuevas fuentes de variabilidad genética. El tejido es cultivado sobre un medio de cultivo estéril y con una apropiada manipulación las células son inducidas a dividirse y generar plantas. Los clones de caña de azúcar regenerados a través de las técnicas de cultivo de tejido difieren de los clones padres en características morfológicas, resistencia a enfermedades y rendimiento. Se ha encontrado mutaciones en cultivo de tejido de cebada, trigo, arroz, centeno, tabaco, maíz y papa. Las mutaciones inducidas desde un cultivo de tejido son denominadas “variación somaclonal”. La velocidad de las mutaciones puede ser muy alta pero desuniforme, muchas variaciones somaclonales no son heredables y de poca utilización en mejoramiento por mutaciones. Algunos usos de mutaciones en el mejoramiento de plantas Se ha realizado ensayos de mejoramiento por mutación sobre muchas especies cultivadas. 1. Mutantes enanos Sorgo: Se encontró una planta enana (mutante espontáneo) de cultivar Milo en un campo de un agricultor la que dio origen al “Milo enano”. Un mutante enano fue observado en un campo de “Milo enano” y se desarrolló un “Milo doble enano”. Plantas enanas mutantes encontradas posteriormente en otros cultivares de Milo y Kafir se utilizaron como stock base de materiales en el desarrollo de cultivares enanos aptos para cosecha mecánica y que se cultivan extensamente en EE.UU. Desde este stock de germoplasma se desarrollaron sorgos enanos para la India, África, América Central, Argentina y otras áreas de cultivo de sorgo granífero. Arroz: se consiguió una interesante y útil serie de mutaciones enanas inducidas y espontáneas. La era de los cultivares semi-enanos en arroz comienza en 1956 con el cultivar “Taichung Native 1”. Un progenitor de “Taichung Native 1” fue un mutante semi-enano espontáneo en un gen recesivo semi-enano llamado sd1, que fue encontrado en un campo agrícola de Taiwán. El gen sd1 se usó desde entonces Guía Tema 3: Elementos que se utilizan en mejoramiento Año 2014
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en muchos cultivares semi-enanos los cuales contribuyeron a la revolución verde en la regiones tropicales y sub-tropicales del mundo donde se cultiva arroz. 2. Sustitución de genes desde cromosomas extraños: Frecuentemente los fitomejoradores intentan introducir caracteres deseables desde especies silvestres estrechamente relacionadas a especies cultivadas por medio de cruzamientos interespecíficos e intergenéricos. Una radiación induce a la sustitución, procedimiento que fue utilizado por Sears para transferir un gen de resistencia al tizón de la hoja desde una especie silvestre, Triticum umbellulatum (2n=2x=14), para el trigo pan hexaploide, T. aestivum (2n=6x=42). La especie silvestre fue primero cruzada por T turgidum (2n=4x=28) y los cromosomas de las plantas F1 fueron duplicados y los alohexaploides (2n=2x=42) fueron entonces cruzados por “Chinese spring”, un trigo pan hexaploide. Rol de la mutación en el mejoramiento El primer objetivo del mejoramiento por mutación es incrementar la variabilidad genética. Pero la exposición a agentes mutagénicos si bien incrementa la frecuencia de mutaciones, no garantiza que los cambios producidos contribuyan al mejoramiento. Los resultados en el desarrollo de cultivares han sido bastante pobres con relación a los esfuerzos realizados. La mutación ha sido la fuerza dominante en los procesos evolutivos. Desde tiempos prehistóricos los mutantes han sido propagados en la naturaleza y explotados. Esto llevó al desarrollo de formas genéticamente estables y productivas en muchas especies cultivadas. El mejoramiento por mutación está diseñado para incrementar la velocidad de inducción de nuevas formas deseables de mutantes. Es necesario seleccionar rigurosamente como en el proceso natural que elimina los mutantes indeseables incapaces de sobrevivir o que induzcan a experiencias incompatibles. Mientras la elección del agente mutagénico puede influir en la clase de mutación producida, no puede ser dirigida hacia la obtención de una mutación beneficiosa específica. Éxitos en el mejoramiento por mutación parecerían estar avanzados cuando el mejorador está buscando un mutante específico no disponible y tiene los procedimientos para seleccionar e identificar la planta mutante si la mutación es obtenida. Usualmente será necesaria la hibridación para transferir el carácter mutante dentro de un genotipo estable y balanceado antes de poder ser utilizado en un nuevo cultivar. B: Incompatibilidad. Esterilidad masculina. Incompatibilidad. Concepto y clasificación. Definición: “Incapacidad que tienen las plantas con polen y óvulos normales para producir semilla debido a un impedimento fisiológico que evita la fecundación” (Poehlman). Desde 1940 (East) se determinó su presencia en unas 3000 especies, reunidas en 250 géneros pertenecientes a 70 familias. En la actualidad se conoce que está difundido entre las leguminosas, rosáceas, solanáceas, compuestas, crucíferas, papaveráceas, gramíneas, malváceas, etc. Según Williams, la principal función de los sistemas de incompatibilidad es impedir la autogamia facilitando los cruzamientos entre individuos no emparentados. Como consecuencia se favorece la variabilidad genética, la adaptación y se evita pérdidas de vigor. Por ello la incompatibilidad no se considera un fenómeno negativo en la evolución de las especies. Manifestación de la incompatibilidad Está dada por la ausencia o falta de crecimiento de los tubos polínicos a través de los estilos lo que impide la fertilización de los óvulos. Guía Tema 3: Elementos que se utilizan en mejoramiento Año 2014
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Cuando se manifiesta en forma regular durante la autofecundación se lo conoce como autoincompatibilidad y si se presenta en cruzamientos entre plantas emparentadas que pertenecen a especies autoincompatibles se conoce como incompatibilidad cruzada. Puede operar en cualquier estado entre la polinización y la fecundación. Grados de reacciones que pueden ocurrir: 1. El polen cae sobre el estigma y no llega a germinar (Compuestas, Crucíferas, Gramíneas). 2. Los tubos polínicos comienzan su elongación y luego detienen su crecimiento (Solanáceas, Leguminosas). 3. Los tubos polínicos crecen hasta llegar a las proximidades del ovario. 4. Los tubos polínicos crecen muy lentamente y llegan al ovario cuando éste ya perdió su capacidad de fecundación. 5. El caso más extremo es cuando la acción de incompatibilidad se produce en el saco embrionario (Beta, Fresia, Cacao). Identificación: el fenómeno de incompatibilidad está controlado por genes especializados denominados genéticamente por S (sterile) que se encuentran normalmente en un solo locus. Hay casos particulares con 2 loci (batata, acelga). De acuerdo a la especie de que se trate puede formar verdaderas series alélicas localizadas en el locus S. La serie se identifica como S1; S2; S3;….. Sn. Sistemas genéticos. Sistema gametofítico y esporofítico. a. incompatibilidad gametofítica • diploide • tetraploide b. incompatibilidad esporofítica (no la estudiamos en este curso porque no hay independencia entre los alelos). Sistema gametofítico: 1. Diploides La incompatibilidad gametofítica se encuentra muy difundida en las Angiospermas. Se caracteriza por la acción independiente de los genes pertenecientes al locus S de incompatibilidad tanto en el polen como en el estilo. Cuando se produce la llegada del polen al estigma comienza la brotación del tubo polínico; si lleva en su constitución un alelo S de incompatibilidad, al encontrarse en el tejido estilar con un alelo similar se produce la reacción de incompatibilidad. a) el estilo S1S2 y el polen S1S3 S1
S3
S1S2 G
S1
S1
x S2
S1S3 S1
Reacción
S1 y S2
Genotipos
S1S3 ; S2S3
S2
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S3
50% de incompatibilidad
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b) el estilo S1S2 y el polen S1S2 y c) el estilo S1S2 y el polen S3S4 2. Tetraploides En este caso se altera el efecto en el gametofito masculino pues se forman gametas diploides homogénicas y heterogénicas, en las últimas se produce una interacción intraalélica que da una reacción neutra de incompatibilidad. En el gametofito femenino se mantiene la independencia para la reacción de incompatibilidad. El óvulo heterogéneo S1S2 produce inhibidores para polen S1 y S2 y ocurre un gran número de fecundaciones positivas. S1S1S2S2
x
S1S1S2S2
S1S1 S1S2 S2S2 fem masc Gametas
gametas
S1S1
4S1S2
S2S2
reacción
S1
S1 y S2
S2
S1S1 4S1S2 S2S2
S1 S1S2 S2
X X X 4S1S1S1S2 16S1S1S2S2 4S1S2S2S2 X X X
S1
S1
S2
Sobre 36 genotipos posibles se forman 24 con lo que hay
S1
S2
S2
66,6% de compatibilidad.
El polen heterogénico es funcional (no hay inhibidores para este tipo). b) cuando se trabaja con diploides x tetraploides los resultados pueden ser muy distintos. S1S1S2S2 x S1S2. Este cruzamiento es totalmente incompatible pero cuando el tetraploide es el polinizador se puede producir descendencia por la interacción intraalélica en el gametofito masculino (S1S2 x S1S1S2S2). También se observa formación de triploides (estériles). Mutaciones del locus S: Ver: Williams “Principios de genética y mejora de las plantas”. Usos Para la producción de cultivares híbridos cuando la emasculación es muy compleja o muy costosa y no existen mecanismos alternativos de androoesterilidad disponibles. Híbridos de Brassica (repollo, coliflor, brócoli, rábano). La mayoría de los híbridos de colza en Japón, EEUU y Europa se basan en la incompatibilidad. La esterilidad masculina Definición: “Incapacidad total o parcial de un individuo para producir gametas masculinas viables”. Está causada por acciones génicas, influencias citoplasmáticas o aberraciones cromosómicas que producen el aborto del cigoto, modificación de flores enteras o impiden el desarrollo normal del polen. Aunque la androesterilidad es perjudicial en la naturaleza (su manifestación impide o disminuye el azar en los cruzamientos) es de gran utilidad en el mejoramiento vegetal pues proporciona un método cómodo y económico de castración masiva. Se puede obtener híbridos en algunas especies en las que antes la producción de semilla híbrida era prohibitiva por su alto costo en las labores de emasculación. En las poblaciones autógamas y alógamas las plantas androestériles se aparean espontáneamente como resultado de mutaciones en cualquiera de los loci que rigen las diferentes y vitales etapas para la formación del polen. Guía Tema 3: Elementos que se utilizan en mejoramiento Año 2014
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La mayor parte de las mutaciones mencionadas son recesivas del tipo normal. Algunas veces estos genes suelen estar acompañados por modificaciones que alteran el efecto de la androesterilidad. Puede encontrarse casos de genes dominantes o interacción dominante-recesivo, todos heredables en forma mendeliana simple. El ambiente tiene influencia en la reacción del citoplasma estéril pues tiende a disminuir la efectividad del sistema en algunas especies. Tipos de androesterilidad De acuerdo a la forma en que está controlada la androesterilidad se puede clasificar en: • androesterilidad genética o génica • androesterilidad citoplasmática • androesterilidad genética-citoplasmática • androesterilidad genética El proceso de formación del grano de polen (microsporogénesis) comprende una serie de etapas cuya alteración, producida por cambios en los factores genéticos que la determinan, repercutirá en la funcionalidad del gameto masculino. Normalmente son genes nucleares los que mutan en determinados loci produciendo su bloqueo. Como consecuencia no se desarrollan las anteras, formación normal del polen en tecas sin dehiscencia, producción de polen no viable o sin capacidad de fertilización, etc. Estos genes recesivos se identifican como msms (male steryle), con subíndice cuando hay varios de ellos. La presentan maíz, tomate, pimiento, berenjena, soja, poroto, haba, sorgo, algodón, girasol, remolacha, zanahoria, calabaza, trigo, avena, cebada, alfalfa, trébol, etc. Genotipos: MsMs fértil Msms fértil msms estéril Utilización de la androesterilidad genética Se puede obtener líneas androestériles de valor agronómico por medio de retrocruzas con líneas fértiles fitotécnicamente aptas. Línea A msms F1
x
Línea B Msms
Msms msms
AB x B Msms R1
Msms msms
selección
Línea B: fértil y heterocigota para fertilidad. En la F1 se eliminan los individuos fértiles y se trabaja con los estériles los cuales se retrocruzan con el padre androfértil durante unas 5 ó 6 generaciones. Se obtiene un individuo con las características completas de B y la incorporación de la esterilidad. Para identificar los individuos estériles y fértiles se puede esperar la floración (con el riesgo de eliminación tardía cuando la flor ya diseminó polen). Es conveniente marcar Guía Tema 3: Elementos que se utilizan en mejoramiento Año 2014
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genéticamente las plantas androestériles: En girasol las plantas fértiles al estado de plántula son de color rojizo y se eliminan fácilmente. Mantenimiento de las líneas estériles: Se hace contando con una línea fértil isogénica con la estéril y el mantenimiento se realiza por la vía sexual (o en forma asexual si la especie lo permite). Línea A F1 •
x
Línea A'
msms
Msms
Msms (fértil)
msms (estéril)
androesterilidad citoplasmática
Está determinada por factores citoplasmásticos y su característica es que se transmite en forma continua de generación en generación siempre que se disponga de un individuo polinizador. Las partículas responsables son los plasmogenes con capacidad de autoreproducción y transmisión puramente materna debido a que el gameto femenino aporta todo el citoplasma del cigoto y la descendencia siempre es androestéril: Línea A
Línea B
E
F
Este tipo de esterilidad fue estudiada por Rhoades en 1933 en Maíz, posteriormente Gini (Argentina 1939) comunica su descubrimiento en maíz amargo en Entre Ríos. Ahora se conoce que también la presentan el sorgo, cebolla, remolacha, alfalfa y ornamentales.
E
100% E Las líneas estériles (A) se mantienen por cruzas con líneas de genotipo idéntico (A´) pero de citoplasma normal. La línea fértil (A´) se mantiene por autofecundación o por cruzamientos fraternos. Ambas pueden conservarse vegetativamente si la especie lo permite (cebolla). Uso: en plantas ornamentales perennes (período de floración más largo) y flores de corte (mayor duración de la flor por no producir semilla) y en todas aquellas especies cultivadas en las que se aprovecha las partes vegetativas. La obtención de líneas citoestériles de valor fitotécnico es por retrocruzamiento y con selección por el tipo padre recurrente. Línea Y (estéril)
Línea A (fértil)
Al final obtenemos un individuo con las mismas características agronómicas pero con esterilidad citoplasmática. Guía Tema 3: Elementos que se utilizan en mejoramiento Año 2014
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•
androesterilidad genético-citoplasmática
Es la consecuencia de la interacción entre genes nucleares y factores citoplasmáticos. A diferencia con el anterior la descendencia no tiene que ser necesariamente androestéril, sino que depende del genotipo del padre. Hay 2 tipos de citoplasma: N (normal o fértil) y E (estéril) cuyos contenidos plasmogénicos en interacción con los alelos restauradores de la fertilidad R y r ó Ms y ms dan los siguientes genotipos: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
(E) rr (E) Rr (E) RR (N) rr (N) Rr (N) RR
androestéril normal normal normal normal normal
Se trabajó en maíz, remolacha, cebolla, ricino, pimiento, alfalfa, sorgo, arroz, lino y en los géneros Nicotiana, Solanum, Gossipium, Triticum, Zea, etc. Ver: Lacadena “Genética Vegetal. Fundamentos de su aplicación”: (clasificación y terminología) Uso: explotación de la heterosis. En maíz la castración es sencilla y poco costosa pero en trigo se necesita de una técnica minuciosa por lo que la obtención de androestériles permite usar la heterosis a escala comercial ya que toda la semilla será híbrida (gameto femenino propio y masculino de otro individuo con polen funcional). 1.
las especies androestériles no siempre dan descendencia androestéril, dependiendo de la constitución del padre polinizador. a. Línea A
x
Línea B
(E) rr F1
(F) RR (E) Rr
Importante cuando se comercializa frutos y semillas pues la descendencia es 100% fértil. b. Línea A
x
Línea C
(E) rr F1
(F) Rr (E) Rr
(E) rr
Importante en el caso de tener un marcador para F o E de lo contrario hace engorroso el uso. c. Línea A
x
(E) rr F1
Línea D (F) rr
(E) rr
Importante cuando se comercializa flores (las no fecundadas conservan por mayor tiempo su turgencia) u órganos vegetativos (algunas hortalizas) pues su descendencia es 100% estéril y el propietario puede tener la exclusividad del producto. 2.
Es posible obtener una línea fértil genéticamente idéntica a la androestéril la que se usa para el mantenimiento sexual de la estéril: Esquema de Hawthorn y Polland 1954 en Cebolla. La línea obtenida (F) msms es la mantenedora de la fertilidad y al ser cruzada con el P1 (E) msms es la única que produce un 100% de individuos estériles.
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3.
Según el número de genes restauradores que se usen en la producción del híbrido tendremos diversas combinaciones. ♦ Maíz 1: híbridos dobles a partir de 2 líneas Texas y una con genes R En este caso no hay etapa de despanojado. El producto final sembrado produce 50% E y 50% F. Como las E no producen polen la producción de semilla se ve afectada sobre todo en zonas marginales por sequía edáfica o ambiental. Tampoco se recomienda para el NOA por los problemas de protandria natural que aumenta con sequía (hay una correlación negativa entre días polen-estigma y % de granos por espiga), pues al adelantarse el polen la efectividad de la polinización es muy baja. ♦ Maíz 2: una línea Texas y dos con R La línea C debe ser despanojada a mano. La combinación es ventajosa porque el producto final es 100% fértil, asegurando una cosecha óptima. Es un poco más costoso que el anterior pero asegura una polinización más eficiente. ♦ Sorgo: formación de híbridos simples con restauradores. La polinización es anemófila. Para la formación del híbrido simple las A y B son endocriadas, de esta forma manifiestan el efecto heterótico en el híbrido simple fértil. La línea A androestéril se mantiene con una línea idéntica pero con citoplasma fértil. La B se mantiene por autofecundación o cruzas fraternas en parcelas aisladas. ♦ Remolacha azucarera: formación de híbridos dobles con androesterilidad citoplasmática y alelos restauradores en dos loci (X e Y) Genotipos posibles (N) X--- normal (E) X--- normal (polen viable) (E) xxYY parcialmente andro estéril (poco polen viable) (E) xxYy parcialmente andro estéril (poco polen viable) (E) xxyy andro estéril Comercialmente no tiene mucha importancia porque lo que se comercializa es la raíz suculenta pero sí para el mejoramiento. Las 4 líneas deben ser genéticamente distintas y con buena aptitud combinatoria específica para producir híbridos heteróticos.
BIBLIOGRAFÍA MARTÍN, G. O. Y G. ROVELLA. 1973. La esterilidad masculina y el mejoramiento vegetal. Serie didáctica Nº 24 CORNIDE; LIMA; Fitomejoramiento"
GÁLVEZ
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