Hibridación interespecífica y poliploidía · Uso del aumento del nivel de ploidía en el ......

Curso de Fitotecnia Pablo Speranza

Hibridación interespecífica y poliploidíay sus aplicaciones en el mejoramiento genético de las plantas

Ing. Agr. Pablo Speranza (MSc. PhD.)Profesor Agregado de Fitotecnia

Departamento de Biología VegetalFacultad de Agronomía, Universidad de la República.

[email protected]


Poliploidía e hibridación interespecífica

� Poliploidía� Definiciones� Autopoliploidía

� Consecuencias genéticas, citogenéticas y fenotípicas� Uso del aumento del nivel de ploidía en el

mejoramiento� Metodologías para aumentar el nivel de ploidía y

creación de cultivares autopoliploides� Metodologías para disminuir el nivel de ploidía y sus

aplicaciones en el mejoramiento


Poliploidía e hibridación interespecífica

� Alopoliploidía� Definición� Origen� Consecuencias genéticas y citogenéticas� Análisis genómico

� Hibridación intrespecífica� Objetivos� Metodologías

� Ejemplos de hibridación interespecífica y manipulación de alopoliploides


Triticum urartu: 2n = 14 (AA)Gametos: n = 7 (A)Triticum urartu: 2n = 2x = 14 (AA)Gametos: n = x = 7 (A)

Definiciones►Poliploide: más de 2 genomios

►2n: número cromosómico de las células somáticas

►n: número cromosómico de los gametos

►x: número de cromosomas de un genomio (número básico)

Triticum aestivum: 2n = 6x = 42 (AABBDD)Gametos: n = 3x = 21 (ABD)

AA

BB

DD


Definiciones

►Alopoliploide: los distintos genomios no se aparean entre sí en meiosis.

(los genomios son homEÓlogos)

►Autopoliploide: los genomios se aparean entre sí (homÓlogos)

►Neopoliploides: Los que llamamos poliploides

►Paleopoliploides: Todas las angiospermas


Tipos de poliploides: Autopoliploides

2n=2x=16 2n=4x=32A1A2

A1 A2 A3 A4

Ejemplos:

Papa Alfalfa Pasto azulBoniatoBanana


Consecuencias genéticas de la autopoliploidía(herencia polisómica)

Herencia: disómica tetrasómicaPara 1 locus:Equilibrio: 1 generación Aproximación

sucesiva

Para 2 alelos:gametos: 2 (A, a) 3 (AA, Aa, aa)genotipos: 3 5 heterocigotos: 1 tipo 3 tipos

Aa Aaaa símplexAAaa dúplex AAAa tríplex

►Gran sensibilidad a la endocría

►Dificultades para eliminar alelos indeseados


Consecuencias citogenéticas de la autopoliploidía

►Formación de multivalentes

►Segregación cromosómica irregular y reducción de la fertilidad (en autopoliploides pares artificiales y poliploides impares en general)

Meiosis en diploides Meiosis en un poliploide impar


Consecuencias fenotípicas del aumento del nivel de ploidía

Las consecuencias fenotípicas son muy variablesEn general:

►Aumento del tamaño celular

►Ciclos de crecimiento más largos

►Aumento del tamaño de órganos

►Menor número de células

►Menor contenido de materia seca

►Menor fertilidad

4x 2x


Usos de la poliploidización en el mejoramientoObjetivo: Nivel de ploidía óptimo►Aumento del rendimiento

►Aumento de la calidad nutritiva

►Aumento del tamaño de órganos

Mayor probabilidad de éxito si:

►Órgano cosechado no es semilla

►Nivel de ploidía de partida es bajo

►Alógamas (recombinación posterior)

►Ciclos de selección cortos

Ejemplos: raigrás y trébol rojo

Objetivo: Nivel de ploidía impar►Esterilidad (frutos sin semilla)

Ejemplos: banana (3x), sandía sin semillas (3x)


Métodos de poliploidización

Fusión de protoplastos

Gametos no reducidos

Duplicación con colchicinaAplicación a tejidosmeristemáticos

2x

4x

Aislación de protoplastos

Desestabilizaciónde la membrana

Fusión y selección

Regeneración

+

2x2x

4x

Cruzamiento de parentalesproductores de gametos 2n Identificación de poliploides en la

progenie

X

2x 2x4x2x 2x


Efectos de los distintos métodos de poliploidización sobre la heterocigosis

a1a2 a1 a2a1 a2

a1 a2 a3a4

+

a1 a2 a3 a4

Duplicación somática

Fusión de protoplastos y RPD

y RSD

M I Separación de homólogos

M II Separación de cromáticas hermanas

En la producción de gametos 2n puede no darse (restitución) la primera división meiótica (RPD) o la segunda (RSD)


Creación de un nuevo cultivo autopoliploide

Germoplasma

►Poliploidización de germoplasma diverso

Recombinación y selección a nivel poliploide

► Dificultades específicas: herencia polisómica y reducción de la fertilidad

►Objetivos: valor agronómico y fertilidad

Mantenimiento

►Evitar contaminación con diploides


Disminución del nivel de ploidía

Objetivos:

►Obtención de líneas puras (haploides duplicados)

►Mejoramiento analítico (simplificación de la herencia polisómica)

►Hibridación interespecífica (cruzamientos con niveles de ploidía menores)

Métodos:►Cruzamientos interespecíficos (genotipos o especies “inductoras”)

►Cultivo de anteras o polen

►Haploides naturales (partenogénesis)


X

Cigoto 2n=14

Divisiones celulares sucesivas

Planta resultante n=7

Producción de haploides por cruzamientos interespecíficos

Ejemplos: Cultivo Especie inductora

Hordeum vulgare Hordeum bulbosum

Solanum tuberosum Solanum phureja

Disminución del nivel de ploidía

Mecanismo: Eliminación de los cromosomas de la especie inductora o inducción de partenogénesis haploide


Disminución del nivel de ploidíaProducción de haploides por cultivo de anteras o polen

AB abAb aB

Duplicación inducida o espontánea

Cultivo de anteras o polen

Nuevas líneas puras

F1

F2

F7

F6

F5

F4

F3

AAbb aaBB

AaBb

P

AAbbaaBB

AABBaabb

Generaciones segregantes

Método convencional

X


Tipos de poliploides: AlopoliploidesAlopoliploides: híbridos interespecíficosEspecies organizadas en “complejos poliploides”Ejemplos: Trigo, Avena, Algodón, Tabaco, Frutilla, Festuca

16 especiesCC

2n=2x=26Australia

2 especiesAA

2n=2x=26Africa y Asia

13 especiesDD

2n=2x=26Américas

5 especies

Modificado de Wendel et al. 1995

5-10 Ma AP

x

Alopoliploides del Nuevo Mundo(Pleistoceno)

AADD2n=2x=52

Relaciones filogenéticas entre algunas especies deGossypium


Gupta et al. 2008


Híbrido diploide

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

JJ

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

II

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1

2

3

4

5

6

7

8

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10

1

2

3

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5

6

7

8

9

10

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Gametos desbalanceados: esterilidad


Híbrido alopoliploide

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

JJ

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

II

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

IIJJ

1J

2J

3J

4J

5J

6J

7J

8J

9J

10J

1I

2I

3I

4I

5I

6I

7I

8I

9I

10I

1J

2J

3J

4J

5J

6J

7J

8J

9J

10J

1I

2I

3I

4I

5I

6I

7I

8I

9I

10I


Citogeografía

Río de la PlataO

céan

o Atlá

ntico

Urugu

ay

2x

3x

4x

5x

Distribución de citotipos de P. quadrifarium en Uruguay Magdalena Vaio, Pablo Speranza y Cristina Mazzella (sin publicar)


Consecuencias genéticas y citogenéticas de la alopoliploidía

� Alopoliploides balanceados: anfidiploides� Meiosis regular� Herencia disómica� Híbrido permanente

A1 A2 A’3 A’4

A1 A1 A’3 A’3 A1 A1 A’4 A’4 A2 A2 A’3 A’3 A2 A2 A’4 A’4

Los loci homeólogos contienen alelos diferentes.

1

2

3

4

5

6

7

8

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13

14

15

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18

19

20


Análisis genómico

►Determinación de las homologías entre los genomios de especies emparentadas: determinación de la fórmula genómica

►Genomios identificados con la misma letra se aparean:

Entrecruzamiento y segregación meiótica regular

Transferencia de genes

Fertilidad de los híbridos


6 I

2 II + 2 I

D x A

D x B

Análisis genómico

2n=2x=4

2n=2x=4

2n=4x=8

2n=4x=8

X=2

A

B

C

D

Mitosis

2 II

2 II

2 IV

4 II

Meiosis

C x A 2 III

A x B

Mitosis

4 I

MeiosisA B

Genomios

C x 2 III

AAAA

BBCC


Hibridación interespecífica

PG-1

Cultivo y otras subespecies silvestres y cultivadas

Todas las especies que pueden ser cruzadas con GP-1 con

algo de fertilidad en la Fpor lo

menos 1

PG-2PG-3

Los híbridos con GP-1 son

an

ómalos, letales o completamente estériles

L

La transferenc ia de genes no es posible o

requiere técnicas radicales

La transferencia de genes puede ser

difíc

i l

pero es posible

PG-2PG-3

Harlan y de Wet. 1971. (4):509-517Taxon20


La estructura del acervo genético es diferente según las especies

Harlan y de Wet. 1971. (4):509-517Taxon20Las especies que forman parte de complejos híbridos tienden a tener acervos genéticos secundarios amplios


Complejos híbridos

� Complejos homoploides y sexuales� Complejos homoploides y sexuales

� Complejos poliploides� Complejos poliploides

� Complejos agámicos� Complejos agámicos


C. reticulatamandarinas

C. medicacidro

C. grandispummelo, shaddock, toronja

C. sinensisnaranja

(cultígeno)

C. aurantiumnaranja amarga

(cultígeno)

C. paradisipomelo

(cultígeno)C. limonLimones

C. aurantifoliaLima

C. sp.

Tangelos(artificiales)

Tangores(cultígenos y artificiales)



Las metodologías varían según el objetivo del cruzamiento

Objetivos

►Transferencia de genes específicos

►Síntesis de híbridos asexuales

►Nuevas “especies” híbridas

Metodología

►Retrocruza

►Propagación asexual de los híbridos

►Varias hibridaciones y mejoramiento de la “nueva especie”



Factores citoplasmáticos

►Manipulación del nivel de ploidía

MetodologíaProblema

Las especies no se cruzan

Desarrollo deficiente de los embriones híbridos

Esterilidad de la F 1 debida a :

Nivel de ploidía

Falta de homología cromosómica

Genotipo

►Cruzamientos puente, manipulación del nivel de ploidía, cruzamiento recíproco, genotipos de mayor “cruzabilidad”, fusión somática

►Rescate de embriones

►Duplicación cromosómica

►Uso de genotipos específicos

►Cambio de la dirección del cruzamiento

Deben superarse las barreras naturales que mantienen la identidad de las especies


Aislación entre niveles de ploidía

2m : 1p


Ejemplos: transferencia de genes entre niveles de ploidía

4x 2x 4xSolanum tuberosum Diploide silvestre Diploide silvestre duplicado

n=2x 2n=2x n=2x Gametos

Progenie 4x


Ejemplos: creación de un nuevo alopoliploide

CentenoSecaleRR

Trigo tetraploideTriticumAABB

ABR

AABBRR

TriticalexTriticosecale

R ABgametos

rescate de embriones

Duplicación con colchicina


Ejemplos: transferencia de genes

Transferencia de genes. T. aestivum (AABBDD)T. umbellulatum (UU)T. turgidum (AABB)

ColchicinaCruzamiento

Retrocruzascon T. aestivum

Radiación

Ejemplo: transferencia de resistencia a roya de la hoja

Gen de resistencia

puente


Mejoramiento genético y premejoramientoVariedades

tradicionalesEspecies silvestres

emparentadasMutaciones naturales

o inducidas

Transferencia al germoplasma elite por cruzamientos

(Premejoramiento)

Mercado

Otros programas de mejoramiento

Cruzamientos

Recombinación

Selección

Nuevo cultivar

Evaluación de riesgo

Técnicas “convencionales”

Procedimientos específicos de los OGM

Integración al ADN de una célula de la

especie objetivo(Evento)

Regeneración de plantas

Rediseño a partir del mismo u otros

organismos

Otros organismos

gen de interés

Cultivo de células y tejidos

Ingeniería genética

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