Hibridación interespecífica y poliploidía File - Eva

Hibridación interespecífica y poliploidía
y sus aplicaciones en el mejoramiento genético de las plantas
Ing. Agr. Pablo Speranza (MSc. PhD.)
Profesor Agregado de Fitotecnia
Departamento de Biología Vegetal
Facultad de Agronomía, Universidad de la República.
[email protected]
Curso de Fitotecnia
Pablo Speranza
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
Curso de Fitotecnia
Pablo Speranza
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
Curso de Fitotecnia
Pablo Speranza
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)
AA
Triticum urartu: 2n = 2x
14 =
(AA)
14 (AA)
Gametos: n = 7
x=
(A)
7 (A)
BB
Triticum aestivum: 2n = 6x = 42 (AABBDD)
Gametos: n = 3x = 21 (ABD)
Curso de Fitotecnia
Pablo Speranza
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
Curso de Fitotecnia
Pablo Speranza
Tipos de poliploides: Autopoliploides
A1A2
2n=2x=16
A1 A2 A3 A4
2n=4x=32
Ejemplos:
Papa
Alfalfa
Pasto azul
Boniato
Banana
Curso de Fitotecnia
Pablo Speranza
Consecuencias genéticas de la autopoliploidía
(herencia polisómica)
Herencia:
disómica
tetrasómica
1 generación
Aproximación
sucesiva
2 (A, a)
3
1 tipo
Aa
3 (AA, Aa, aa)
5
3 tipos
Aaaa símplex
AAaa dúplex
AAAa tríplex
Para 1 locus:
Equilibrio:
Para 2 alelos:
gametos:
genotipos:
heterocigotos:
►Gran sensibilidad a la endocría
►Dificultades para eliminar alelos indeseados
Curso de Fitotecnia
Pablo Speranza
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
Curso de Fitotecnia
Pablo Speranza
Consecuencias fenotípicas del aumento del nivel
de ploidía
Las consecuencias fenotípicas son muy
variables
En 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
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2x
Usos de la poliploidización en el mejoramiento
Objetivo: 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)
Curso de Fitotecnia
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Métodos de poliploidización
Duplicación con colchicina
Aplicación a tejidos
meristemáticos
2x
4x
Fusión de protoplastos
+
2x
Desestabilización
de la membrana
2x
Fusión y
selección
Regeneración
Aislación de
protoplastos
4x
Gametos no reducidos
X
2x
2x
2x
Cruzamiento de parentales
productores de gametos 2n
4x
2x
Identificación de poliploides en la
progenie
Curso de Fitotecnia
Pablo Speranza
Efectos de los distintos métodos de poliploidización sobre la heterocigosis
Duplicación somática y RSD
M I Separación de
homólogos
a1 a2
a1 a1 a2 a2
Fusión de protoplastos y RPD
+
a1 a2
M II Separación de
cromáticas hermanas
a3 a4
a1 a2 a3 a4
En la producción de gametos 2n puede no darse (restitución) la
primera división meiótica (RPD) o la segunda (RSD)
Curso de Fitotecnia
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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
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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)
Curso de Fitotecnia
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Disminución del nivel de ploidía
Producción de haploides por cruzamientos interespecíficos
Especie inductora
Ejemplos:
Cultivo
Hordeum vulgare
Hordeum bulbosum
Solanum tuberosum
Solanum phureja
Mecanismo: Eliminación de los cromosomas de
la especie inductora o inducción de
partenogénesis haploide
Cigoto 2n=14
Divisiones
celulares
sucesivas
X
Curso de Fitotecnia
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Planta
resultante
n=7
X
Disminución del nivel de ploidía
Producción de haploides por cultivo de anteras o polen
P
AAbb
F1
aaBB
AaBb
Cultivo de anteras o polen
Método convencional
F2
F3 Generaciones
segregantes
F4
AABB
AAbb
aaBB
aabb
F5
F6
F7
AB
Ab
ab
aB
Duplicación inducida o
espontánea
Nuevas líneas
puras
Curso de Fitotecnia
Pablo Speranza
Tipos de poliploides: Alopoliploides
Alopoliploides: híbridos interespecíficos
Especies organizadas en “complejos poliploides”
Ejemplos: Trigo, Avena, Algodón, Tabaco, Frutilla, Festuca
5 especies
Alopoliploides del Nuevo Mundo
(Pleistoceno)
AADD
2n=2x=52
16 especies
CC
2n=2x=26
Australia
2 especies
AA
2n=2x=26
Africa y Asia
x
13 especies
DD
2n=2x=26
Américas
Relaciones filogenéticas entre
algunas especies de
Gossypium
5-10 Ma AP
Modificado de Wendel et al. 1995
Curso de Fitotecnia
Pablo Speranza
Gupta et al. 2008
Curso de Fitotecnia
Pablo Speranza
Híbrido diploide
1
2
Gametos
1
2
2
desbalanceados:
esterilidad
3
3
3
4
5
6
7
8
9
10
1
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
9
10
10
1
1
2
1
2
3
2
3
4
3
4
5
4
5
6
5
6
7
6
7
8
7
8
9
8
9
10
9
10
10
JJ
II
Curso de Fitotecnia
Pablo Speranza
1J
1I
2J
2I
3J
3I
4J
4I
5J
5I
6J
6I
7J
7I
8J
8I
9J
9I
10J
10I
Híbrido alopoliploide
1J
1I
2J
2I
3J
3I
4J
4I
5J
5I
6J
6I
7J
7I
8J
8I
9J
9I
10J
10I
JJ
II
1
1
2
1
2
3
2
3
4
3
4
5
4
5
6
5
6
7
6
7
8
7
8
9
8
9
10
9
10
10
JJ
II
Curso de Fitotecnia
Pablo Speranza
Ur
ug
ua
y
Citogeografía
2x
Plat
a
O
Río
de l
a
cé
an
o
At
lán
tic
o
3x
Distribución de citotipos de P. quadrifarium en Uruguay Magdalena Vaio,
Pablo Speranza y Cristina Mazzella (sin publicar)
Curso de Fitotecnia
Pablo Speranza
4x
5x
Consecuencias genéticas y citogenéticas de la
alopoliploidía
1
2
3
Alopoliploides balanceados: anfidiploides
Meiosis regular
Herencia disómica
Híbrido permanente
4
5
6
7
8
9
10
11
A1 A2 A’3 A’4
12
13
14
15
16
17
18
A1 A1 A’3 A’3
A1 A1 A’4 A’4
Los loci homeólogos contienen alelos diferentes.
Curso de Fitotecnia
Pablo Speranza
A2 A2 A’3 A’3
A2 A2 A’4 A’4
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
Curso de Fitotecnia
Pablo Speranza
Análisis genómico
Genomios
Mitosis
A
A
Mitosis
B
Meiosis
Meiosis
2n=2x=4
2 II
AxB
4I
B
2n=2x=4
2 II
CxA
2 III
C
2n=4x=8
2 IV
DxA
6I
2n=4x=8
4 II
DxB
2 II + 2 I
AAAA
D
BBCC
X=2
Curso de Fitotecnia
Pablo Speranza
dos con GP-1
híbsri o com
L pletam son
s
ent
Loletale
ee
,
s
st
alo
ér
m
il
ó
es
Todas las especies que pueden
ser cruzadas con GP-1 con por lo
menos algo de fertilidad en la F1
PG-2 PG-3
La
il
Cultivo y otras
subespecies silvestres y
cultivadas
PG-1
ns
tra
dif
íc
PG-3 PG-2
er
o
La
fe
s
re
nci
de
e
u
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n
l
perd
o es posible
ib
ns
s
o
fer
e
sp
req ncia de genes no e les
a
uier
e técnicas radic
e
an
Hibridación interespecífica
Ha rla n y de Wet. 1971. Taxon 20 (4):509-517
Curso de Fitotecnia
Pablo Speranza
La estructura del acervo genético es diferente según las
especies
Las especies que forman parte de
complejos híbridos tienden a tener
acervos genéticos secundarios
amplios
Curso de Fitotecnia
Ha rla n y de Wet. 1971. Taxon 20 (4):509-517
Pablo Speranza
Complejos híbridos
Complejos
Complejoshomoploides
homoploidesyysexuales
sexuales
Complejos
Complejospoliploides
poliploides
Complejos
Complejosagámicos
agámicos
Curso de Fitotecnia
Pablo Speranza
Tangelos
(artificiales)
Tangores
(cultígenos y artificiales)
C. sp.
C. aurantifolia
Lima
C. sinensis
naranja
(cultígeno)
C. medica
cidro
C. reticulata
mandarinas
C. aurantium
naranja amarga
(cultígeno)
C. grandis
pummelo, shaddock, toronja
C. paradisi
pomelo
(cultígeno)
C. limon
Limones
Curso de Fitotecnia
Pablo Speranza
Hibridación interespecífica
Las metodologías varían según el objetivo del cruzamiento
Objetivos
Metodología
►Transferencia de genes específicos
►Retrocruza
►Síntesis de híbridos asexuales
►Propagación asexual de los híbridos
►Nuevas “especies” híbridas
►Varias hibridaciones y mejoramiento
de la “nueva especie”
Curso de Fitotecnia
Pablo Speranza
Hibridación interespecífica
Deben superarse las barreras naturales que mantienen la identidad de las especies
Problema
Metodología
Las especies no se cruzan
►Cruzamientos puente, manipulación del nivel
de ploidía, cruzamiento recíproco, genotipos de
mayor “cruzabilidad”, fusión somática
Desarrollo deficiente de los
embriones híbridos
►Rescate de embriones
Esterilidad de la F1 debida a:
Falta de homología cromosómica
►Duplicación cromosómica
Genotipo
►Uso de genotipos específicos
Nivel de ploidía
►Manipulación del nivel de ploidía
Factores citoplasmáticos
►Cambio de la dirección del cruzamiento
Curso de Fitotecnia
Pablo Speranza
Aislación entre niveles de ploidía
2m : 1p
Curso de Fitotecnia
Pablo Speranza
Ejemplos: transferencia de genes entre niveles de
ploidía
4x
2x
4x
Solanum tuberosum
n=2x
Diploide silvestre
Diploide silvestre duplicado
2n=2x
n=2x
Progenie 4x
Curso de Fitotecnia
Pablo Speranza
Gametos
Ejemplos: creación de un nuevo alopoliploide
Centeno
Secale
Trigo tetraploide
Triticum
RR
AABB
R
AB
gametos
ABR
rescate de embriones
Duplicación con colchicina
Triticale
xTriticosecale
AABBRR
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Ejemplos: transferencia de genes
T. aestivum (AABBDD)
Transferencia de genes.
Ejemplo: transferencia de resistencia a roya de la hoja
T. turgidum (AABB)
Cruzamiento
puente
T. umbellulatum (UU)
Colchicina
Gen de resistencia
Retrocruzas
con T. aestivum
Radiación
Curso de Fitotecnia
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Mejoramiento genético y premejoramiento
Variedades
tradicionales
Especies silvestres
emparentadas
Mutaciones naturales
o inducidas
Otros programas de
mejoramiento
Regeneración de
plantas
Ingeniería genética
Cruzamientos
Cultivo de células y
tejidos
Integración al ADN
de una célula de la
especie objetivo
(Evento)
gen de interés
Transferencia al germoplasma
elite por cruzamientos
(Premejoramiento)
Recombinación
Técnicas
“convencionales”
Rediseño a partir del
mismo u otros
organismos
Selección
Nuevo cultivar
Procedimientos específicos de
Otros organismos
los OGM
Curso de Fitotecnia
Evaluación de riesgo
Pablo Speranza
Mercado