MECANISMOS DE AISLAMIENTO REPRODUCTIVO Las propiedades biológicas que impiden el apareamiento se llaman mecanismos de aislamiento reproductivo, y se pueden clasificar en dos grupos: Las barreras precigóticas son mecanismos de aislamiento que tienen lugar antes o durante la fecundación, a la que limitan, actúan antes del intercambio gamético. Las barreras postcigóticas son todas las que atañen a la viabilidad de los individuos producidos, a través de abortos espontáneos, esterilidad del híbrido, muerte prematura, híbridos débiles y enfermizos, etc. (Mayr E., 1999). Autoincompatibilidad y mecanismos de regulación La diversidad genética es vital para el éxito a largo plazo de las poblaciones, ya que aumenta la probabilidad de que al menos una población individual sobreviva frente a drásticas fluctuaciones ambientales (Rea, A., & Nasrallah, J. 2008). Para promover la polinización cruzada varias especies de plantas desarrollaron adaptaciones morfológicas, como la separación espacial de los pistilos y estambres (hercogamia) y adaptaciones fisiológicas como la maduración diferencial de los órganos reproductivos (dicogamia). Sin embargo, estas barreras no son del todo eficientes, porque la restricción del flujo de polen entre individuos relacionados genéticamente es limitada. Para sobreponerse a este problema, algunas especies desarrollaron un mecanismo genético de reconocimiento del polen propio, conocido como autoincompatibilidad (AI), definida como la incapacidad de una planta hermafrodita fértil para producir cigotos después de la autopolinización (De Nettancourt D. 2001). La AI ( AI =autoincompatibilidad; en ingles SI=self-incompatibility) Se clasifica en dos tipos, heteromórfica y homomórfica. Incompatibilidad Heteromórfica Este tipo de incompatibilidad recibe su nombre debido a que se observan diferencias en la morfología floral (gineceo y androceo) que interfieren en la fecundación, además de existir diferencias genotípicas. Es el tipo de incompatibilidad es menos difundido. Los dos casos más estudiados son: a) Dicogamia Consiste en la maduración diferencial de la parte masculina de la femenina. Cuando madura antes la parte masculina se llama protandria ejm. Rosamarinus. Sin embargo, cuando existen varias flores en diferentes estados en la misma planta se puede producir autofecundaciones (geitonogamia). Cuando madura antes la parte femenina se llama protoginia (Bertin, R. I., 1993). ejm, Magnolia, Aristolochia b) Hercogamia El mecanismo más eficaz de separación espacial consiste en la dioecia (plantas dioicas). Cada individuo produce flores de un solo tipo (masculinas o femeninas). Ejm, Pestacho (Pistacia vera), Algarrobo (Ceratonia siliqua) o Sauces (Salix). Esta limitado a un bajo número de especies (6% aproximadamente). En otras ocasiones la separación espacial consiste en flores unisexuales monoecia dentro de un nuevo individuo (plantas monoicas). En este caso no se evita totalmente la autofecundación, aunque se reduce notablemente (Bertin, R. I., 1993). Ejm, Betula, Liquidambar. c) Dimorfismo estilar presente en la especie Primula vulgaris: se observan flores con dos formas diferentes o forma diestílica. Las anteras y el estigma pueden encontrarse en dos posiciones diferentes, dando lugar a flores de tipo "pin” y de tipo "thrum". A su vez también existe un dimorfismo en cuanto al tamaño del polen y de las células estigmáticas. Estas características están determinadas genéticamente por un locus con dos alelos (S, s). Flores pin Flores thrum Genotipos para el locus S ss Ss Estilo largo Corto Estambres bajos Altos Células estigmáticas Grandes pequeñas Polen pequeño grande Reacción de incompatibilidad Con pin Con thrum PIN THRUM Los únicos cruzamientos totalmente compatibles son pin x thrum y thrum x pin. ss x Ss ½ Ss y ½ ss Ss x ss ½ Ss y ½ ss Como se puede observar, nunca aparecen individuos SS. El fenotipo del grano de polen viene dado por en fenotipo del esporófito. Casos similares a este se observaron también en los géneros Linum, Armeria, Limolium y Fagopyrum. Primula vulgaris. Figura 1. Las floresPin(A) presentan los filamentos de los estambres cortos y los pistilos largos. Las floresThrum (B) muestran, en cambio, pistilos cortos y filamentos largos. 1.pétalos, 2.-sépalos, 3.-anteras de los estambres y 4.-pistilo. c) Trimorfismo estilar estudiado en la especie Lvthrum salicaria: se observan tres morfologías florales en cuanto a anteras y estilo, que pueden ser cortos, medios o largos. Se pueden distinguir tres tipos de flores: Flores brevistilas con estilo corto y dos verticilos de anteras, uno medio y otro largo. Flores mediastilas con estilo de longitud media y los verticilos masculinos, uno corto y otro largo. Flores longistilas con estilo largo y las anteras medianas y cortas. Longistilas Mediastilas Brevistilas El polen puede fecundar al estilo solo cuando procede de una antera situada a la misma altura. Es decir que un estilo mediastilo solo será fecundado por polen proveniente de anteras ubicadas a altura media. Incompatibilidad Homomórfica Los mecanismos homomórficos son los más difundidos. En estos casos no existen diferencias en la morfología floral. La incompatibilidad está determinada genéticamente por un locus, llamado S, con alelos múltiples. Dentro de las formas de incompatibilidad homomórfica podemos hablar de dos tipos: Figura 4. Gametophytic and sporophytic self-incompatibility in flowering plants. (A) In gametophytic selfincompatibility, the phenotype of the pollen is determined by its own haploid genome. Thus, pollen tube growth is inhibited when the pollen S allele matches one of the S alleles expressed in the pistil. Pollen grains from the S1S2 anther are self-incompatible with the S1S2 pistil (left pistil). When only one of the pollen alleles, S1, is shared with those in the pistil, then half of the pollen grains, the S2 pollen, are compatible on the S1S3 pistil (centre pistil). The pollen grains from the S1S2 anther bear different S alleles from the S3S4 pistil (right pistil), and are compatible. Consequently, the S1 and S2 pollen can germinate, grow down the style to the ovary and effect fertilization. (B) In sporophytic self-incompatibility, the phenotype of the pollen is determined by the diploid genome of the parent plant. Thus, when one of the S alleles in the pollen parent matches that of the pistil, pollen germination is arrested at the stigma surface. Pollen grains from the S1S2 anther are rejected on both the S1S2 pistil (left pistil) and the S1S3 pistil (centre pistil) due to matching alleles. However, the pollen grains from the S1S2 anther are fully compatible on an S3S4 pistil (right pistil), and fertilization occurs. Fuente: N.F. Silva y D.R. Goring. (2004). Self-incompatibility in flowering plants a) Incompatibilidad gametofítica: La mayor parte de las familias de interés comercial tienen un sistema de AI gametofítico (Solanaceae, Plantaginaceae, Rosaceae y Papaveraceae). Este tipo de control genético es llamado así porque el fenotipo S del polen está determinado por su genotipo haploide. El polen es rechazado cuando el haplotipo S del polen coincide con alguno de los dos haplotipos S del pistilo en un heterocigoto, en caso contrario el polen es aceptado (Newbigin E., Anderson M., Clarke A., 1993), el grano de polen puede comenzar a germinar pero detiene su crecimiento y no llega a fecundar a la oósfera. Generalmente el crecimiento del tubo polínico se detiene por diferencias osmótica que hacen que el tubo se rompa dentro del estilo. Mecanismo de la S-RNasa El componente femenino de AIG (autoincompatibilidad gametofítica en ingles GSI = Gametophytic self-incompatibility)en las solanáceas se encontró en 1989. Las proteínas de la misma familia se descubrieron posteriormente en las rosáceas y en las plantagináceas. A pesar de algunas dudas iniciales acerca de la ascendencia común de GSI en estas familias relacionadas distantes, los estudios filogenéticos y el hallazgo de determinantes masculinos compartidos (proteínas de la caja F) establecieron claramente una homología. En consecuencia, este mecanismo surgió hace aproximadamente 90 millones de años y es el estado ancestral inferido para aproximadamente el 50% de todas las plantas. En este mecanismo, la elongación del tubo de polen se detiene cuando ha avanzado aproximadamente un tercio del camino a través del estilo. El componente femenino ribonucleasa, denominado S-RNasa probablemente cause la degradación del ARN ribosomal (ARNr) dentro del tubo polínico, en el caso de alelos S masculinos y femeninos idénticos, y en consecuencia se detiene el alargamiento del tubo polínico, y El grano de polen muere (Franklin-Tong, V. E. y F. C. H. Franklin, 2003), (McClure, B. A et al, 1989). Figura 5. The self-incompatibility response in the Solanaceae. (A) Schematic representation of the primary structure of S-RNases. The five conserved regions are denoted C1–C5. The two histidine (His) residues essential for RNase activity, and the asparagine (Asn) residue involved in N-glycosylation are shown. The regions identified as the hypervariable regions (HVa and HVb) by Ioerger et al. [28] and positive selection domains (PS1–PS4) by Ishimizu et al. [40] are shown. SP, signal peptide. (B) Receptor or gatekeeper model of S-RNasemediated pollen rejection. An S1S2 pistil produces and secretes S1- and S2-RNases into the transmitting tissue of the pistil. The pollen S1 protein is predicted to be a receptor that selectively allows only S1-RNases to enter the S1 pollen tube. Once inside the pollen tube, the S1- RNase is predicted to degrade the pollen RNA, inhibiting pollen tube growth. An S3 pollen tube growing through an S1S2 pistil would continue to grow down the style of the pistil to the ovary since the pollen S3 receptor would exclude both the S1- and S2-RNases from the pollen tube. (C) Inhibitor model of S-RNase-mediated pollen rejection. The S1S2 pistil produces and secretes S1- and S2-RNases into the transmitting tissue of the pistil. However in this model, both RNases enter the S1 and S3 pollen tubes. The pollen S proteins are proposed to act as cytosolic RNase inhibitors of all non-self RNases. Thus, inside the S1 pollen tube, the S1-RNase inhibitor would inhibit the activity of the S2-RNase but not the S1-RNase. The S1-RNase would then degrade the pollen RNA, inhibiting pollen tube growth. In the S3 pollen tube, the S3-RNase inhibitor would inhibit both the S1 and S2-RNases, allowing the continued growth of the S3 pollen tube. Fuente: N.F. Silva y D.R. Goring. (2004). Self-incompatibility in flowering plants Figura 6. Molecular model of the self-incompatibility response in the Solanaceae, Rosaceae, and Scrophulariaceae.The S-locus consists of two genes, S-RNase and SLF/SFB. S-RNase is the female determinant and is secreted in large amounts into the extracellular matrix of the style. In a pollinated style, S-RNase is incorporated into the pollen tubes and functions as a cytotoxin that degrades pollen RNA. Although the S-RNase enters the pollen tubes regardless of their S-haplotypes, RNA degradation occurs only in self-pollen tubes. SLF/SFB is the male determinant and is a member of the F-box family of proteins, which generally function as a component of an E3-ubiquitin ligase complex. Thus, SLF/SFB is expected to be involved in ubiquitin-mediated protein degradation of nonself-S-RNases. Fuente: Takayama, S., & Isogai, A. (2005). SELF-INCOMPATIBILITY IN PLANTS Mecanismo de la glicoproteína S (SLG = S locus glicoprotein and SRK = S locus receptor kinase) El siguiente mecanismo fue descrito en detalle en Papaver rhoeas. En este mecanismo, el crecimiento del polen se inhibe a los pocos minutos de su colocación en el estigma. El determinante femenino es una pequeña molécula extracelular, expresada en el estigma; la identidad del determinante masculino sigue siendo esquiva, pero probablemente sea un receptor de membrana celular. La interacción entre los determinantes masculinos y femeninos transmite una señal celular al tubo polínico, lo que resulta en una fuerte afluencia de cationes de calcio; esto interfiere con el gradiente de concentración intracelular de iones de calcio que existe dentro del tubo polínico, esencial para su alargamiento. La entrada de iones de calcio detiene el alargamiento del tubo en 1 a 2 minutos. En esta etapa, la inhibición del polen todavía es reversible, y la elongación se puede reanudar aplicando ciertas manipulaciones, lo que resulta en la fertilización del óvulo. (Franklin-Tong, V. E., y F. C. H. Franklin, 2003). (Franklin-Tong, V. E. et al, 1993) Figura 7. Model for stigmatic S protein mediated pollen rejection in Papaver rhoeas. Allele-specific recognition between the stigmatic S3-protein and the putative pollen S3-receptor activates an intracellular signalling pathway. Although the interaction with SBP appears to be required for the selfincompatibility response, whether SBP represents the pollen S receptor or acts as an accessory receptor is not known. The initial signalling cascade is marked by a rapid increase in cytosolic [Ca2+]i which is thought to be mediated by an inositide signalling pathway, resulting in the activation of a Ca2+-dependent protein kinase (CDPK) and phosphorylation of p26. Profilin, an actin-binding molecule, was shown to regulate actin-based cytoskeletal protein assembly and protein kinase (PK) and phosphatase activity [91] which suggests that this protein may be involved in a signalling pathway that regulates pollen tube growth. Later in the self-incompatibility response, Ca2+-independent phosphorylation of p68 occurs. These signalling cascades are ultimately predicted to lead to events such are gene expression, actin-cytoskeleton rearrangements and programmed cell death, culminating in the inhibition of pollen tube growth. Fuente: N.F. Silva y D.R. Goring. (2004). Self-incompatibility in flowering plants Figura 8. Molecular model of the self-incompatibility response in the Papaveraceae. Only the female determinant gene has been identified, which encodes a secreted stigma protein named S-protein. S-protein interacts with the assumed S-haplotype-specific pollen receptor (the putative male determinant) and induces Ca2+ influx in the shank of the pollen tube. SBP is an integral proteoglycan of the pollen plasma membranes and is expected to function as an accessory receptor. Ca2+-influx stimulates increases in [Ca2+]i, with some contribution from the intracellular stores as well as from extracellular sources. These increases in [Ca2+]i trigger the downstream signaling cascades that result in rapid growth inhibition and ultimately the death of incompatible pollen tubes. Fuente: Takayama, S., & Isogai, A. (2005). SELF-INCOMPATIBILITY IN PLANTS b) Incompatibilidad esporofítica: en este caso la reacción en el grano de polen, está determinada por el genotipo diploide del esporófito o planta madre de la cual proviene. Por esto, si existe una relación de dominancia o alguna otra interacción intraalélica en el locus, se manifestará en el comportamiento del polen. El esporófito o planta madre del grano de polen sintetiza compuestos, que quedan depositados en las capas externas de los granos de polen (exina), y generan la reacción de incompatibilidad. En el estilo, por lo general, la interacción es de codominancia, es decir que se manifiestan ambos alelos (aunque en algunos pocos casos existe también dominancia en el estilo). En la autoincompatibilidad esporofítica (AIE) el fenotipo de AI de los granos de polen de una planta está determinado por el genotipo diploide de la antera (el esporófito) en la cual se originaron. Así, a diferencia del sistema de AIG en el cual cada grano de polen expresa su propio alelo de incompatibilidad, en este sistema cada grano de polen expresa los dos alelos de incompatibilidad presentes en la planta que lo originó. En otras palabras, en la AIG la reacción de incompatibilidad está determinada únicamente por el alelo presente en el gametofito, mientras que en la AIE queda gobernada por los dos alelos presentes en el esporófito. En esta diferencia sustancial radica, justamente, la denominación de ambos sistemas de AI. La AIE se ha identificado en las familias Brassicaceae, Asteraceae, Convolvulaceae, Betulaceae, Caryophyllaceae, Sterculiaceae y Polemoniaceae. El mecanismo del SI en Brassica Como se mencionó previamente, el fenotipo de AIE del polen está determinado por el genotipo diploide de la antera. En Brassica, la cubierta del polen, derivada del tapete de la antera, lleva los productos génicos de dos alelos S. Estos son proteínas pequeñas, ricas en cisteína. El gen que codifica estas proteínas se denomina SCR o SP11, y se expresa en el tapete de la antera (es decir, en el esporófito) como así también en la microspora y en el polen (o sea, en el gametofito). El determinante femenino de la respuesta de AI en Brassica es una proteína transmembranal denominada SRK, la cual presenta un dominio quinasa intracelular y un dominio extracelular variable. SRK se expresa en el estigma y probablemente funcione como un receptor de la proteína SCR/SP11 de la cubierta del polen. Otra proteína estigmática, denominada SLG, presenta una secuencia altamente similar a SRK y parece funcionar como un «coreceptor» del determinante masculino, amplificando la respuesta de autoincompatibilidad. Las interacciones entre las proteínas SRK y SCR/SP11 dan como resultado la autofosforilación del dominio quinasa intracelular de SRK, y se transmite una señal dentro de la célula de la papila estigmática. Otra proteína esencial para la respuesta de autoincompatibilidad es MLPK, una quinasa serina-treonina, la cual se halla anclada del lado intracelular de la membrana plasmática. Los eventos moleculares y celulares subsecuentes que llevan a la inhibición del crecimiento de los tubos polínicos todavía están pobremente descritos. (Schopfer, C. R., et al, 1999) Figura 9. Molecular model of the self-incompatibility (SI) response in the Brassicaceae. The S-locus consists of three genes, SRK, SP11, and SLG. The SRK receptor kinase is the female determinant and spans the plasma membrane of the stigma papilla cell. SP11 is the male determinant and is predominantly expressed in the anther tapetum and accumulates in the pollen coat during pollen maturation. Upon pollination, SP11 penetrates the papilla cell wall and binds SRK in an S-haplotype-specific manner. This binding induces the autophosphorylation of SRK, triggering a signaling cascade that results in the rejection of self-pollen. SLG is not essential for the self-/nonself-recognition but localizes in the papilla cell wall and enhances the SI reaction in some S-haplotypes. The signaling cascade downstream of SRK has not yet been characterized, but the essential positive effectors include MLPK and ARC1. MLPK localizes papilla cell membrane and may form a signaling complex with SRK. ARC1, an E3 ubiquitin ligase, binds to the kinase domain of SRK in a phosphorylation-dependent manner and may target unknown substrates for ubiquitination. The proteasomal degradation of these substrates could result in pollen rejection. Fuente: Takayama, S., & Isogai, A. (2005). SELF-INCOMPATIBILITY IN PLANTS Autoincompatibilidad retardada o ovárica (puede ser pre y post-cigotica) Las angiospermas han desarrollado muchos métodos para evitar la autofecundación y, por lo tanto, la endogamia, promoviendo así el cruce y el aumento de la diversidad genética. Algunos individuos angiospermos inhiben las flores masculinas y femeninas unisexuales que pueden ubicarse en plantas separadas (como en el acebo), lo que excluye la autofertilización, o en el mismo individuo (como en el maíz), que reduce pero no evita la autofertilización. La mayoría de las angiospermas, sin embargo, tienen flores hermafroditas en las cuales los órganos masculinos y femeninos se desarrollan coordinadamente muy cerca uno del otro. En algunas de estas plantas (por ejemplo, el arce de azúcar), el tiempo diferencial de la maduración de la antera y el estigma promueve el cruce al reducir drásticamente las oportunidades de autofecundación. En otros, la autofertilización se evita y el cruce se garantiza mediante sistemas de autoincompatibilidad que discriminan entre los granos de polen relacionados genéticamente (uno mismo) y genéticamente no relacionados (no uno mismo) Como se describió anteriormente, en la mayoría de las plantas autoincompatibles la inhibición del crecimiento de los tubos polínicos se produce en el estigma o en el estilo. Los mecanismos de AI que actúan en el ovario han sido descriptos como autoincompatibilidad retardada (AIR) y son bastante comunes en plantas. Los sistemas de AIR pueden dividirse según el momento en que ocurre la inhibición de la autofertilización en las siguientes categorías: la inhibición de los tubos polínicos incompatibles ocurre antes de su llegada a los óvulos. la reacción de autoincompatibilidad ocurre por inhibición de la fertilización, dentro del óvulo. la autoincompatibilidad se produce por la inhibición del crecimiento del embrión. De hecho, este es un mecanismo de AIR post-cigótico debido a que la fertilización ya ha ocurrido. Especies que exhiben este tipo de mecanismo de AI son Narcissus triandrus (Amaryllidaceae), algunas del género Asclepias (Asclepiadaceae) y Spathodea campanulata (Bignoniaceae). (Sage, T. L., et al, 1994) En este mecanismo, el polen propio germina y llega a los óvulos, pero no se establece ningún fruto. El AIR puede ser precozigótico (p. Ej., Deterioro del saco embrionario antes de la entrada del tubo polínico, como en Narcissus triandrus) o postzigótico (malformación del cigoto o embrión , como en ciertas especies de Asclepias y en Spathodea campanulata) Bibliografía Bertin, R. I. (1993). Incidence of Monoecy and Dichogamy in Relation to Self-Fertilization in Angiosperms. American Journal of Botany, 80(5), 557. doi:10.2307/2445372 Bretón Adriana De Nettancourt D. (2001). Incompatibility and incongruity in wild and cultivated plants, Heidelberg Springer, New York. Franklin-Tong, V. 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