Tema 11 Haploidía y Poliploidía PDF

Tema 11. Haploidía y Poliploidía. Introducción. 11.1. Número de genomios y tipos de poliploides. 11.2. Haploidía. 11.2.1. Obtención e identificación de haploides. 11.2.2. Mitosis y meiosis de los haploides. 11.2.3. Utilidad de los haploides en mejora. 11.3. Poliploidía natural. 11.3.1. Auto...

Tema 11. Haploidía y Poliploidía. Introducción. 11.1. Número de genomios y tipos de poliploides. 11.2. Haploidía. 11.2.1. Obtención e identificación de haploides. 11.2.2. Mitosis y meiosis de los haploides. 11.2.3. Utilidad de los haploides en mejora. 11.3. Poliploidía natural. 11.3.1. Autoploides naturales. 11.3.2. Aloploides naturales. 11.4. Autoploides artificiales. 11.4.1. Obtención de Autoploides e identificación. 11.4.2. Mitosis y meiosis de los autopoliploides. 11.4.3. Utilidad de los autoploides en la mejora. 11.5. Aloploides artificiales. 11.5.1. Híbridos interespecíficos. 11.5.2. Obtención de Aloploides a partir de híbridos interespecíficos. 11.5.3. Obtención de Aloploides por fusión de protoplastos. 11.5.4. Utilidad de los aloploides en la mejora. Introducción. Los organismos superiores suelen ser diploides (2n) y tienen en sus células dos conjuntos de cromosomas homólogos procedentes de cada uno de sus progenitores. Los gametos de estas especies y algunos organismos inferiores (briofitas, algas, hongos, etc.) son haploides y solo tienen una serie (n) de cromosomas. Un poliploide tiene un número de series de cromosomas o “genomios” mayor de “2n”. La mayor parte de ellos tienen como origen la fecundación con gametos no reducidos en la meiosis. 11.1. Número de genomios y tipos de poliploides. Cuando existe un número entero de genomios mayor que 2n se tiene un euploide, que puede ser un autoploide: triploide (3n), tetraploide (4n), etc., si los genomios proceden de la misma especie, o aloploide: alotetraploide (2n1 + 2n2), alohexaploide (2n1 + 2n2+ 2n3), etc., si los genomios proceden de diferentes especies. Cuando el número de cromosomas no es un múltiplo entero de genomios se tiene un aneuploide. Si se trabaja con aneuploides, al diploide normal se le llama disómico, al (2n+1) trisómico, al (2n-1) monosómico, y al (2n-2) nulisómico, etc. Si solo existe un genomio se tiene un monoploide o haploide (n).  11.2. Haploidía. Los haploides son individuos con el número básico “n” de cromosomas, o sea con un genomio, como el gameto de las especies diploides. Se dan naturalmente en briofitas, algas, hongos, etc. pero en plantas superiores la fase haploide está reducida al grano de polen y al saco embrionario. Hay haploides espontáneos en proporciones detectables, en frecuencias bajísimas en muy pocas especies, normalmente de origen poliploide (polihaploides). El mecanismo más usual en el origen de la haploidía natural es la partenogénesis, en la que el gameto femenino es el que origina un nuevo individuo. 11.2.1. Obtención e identificación de haploides El método general de obtención es mediante el cultivo de anteras o de microsporas. Se puede aplicar a todas las especies pero hay que ponerlo a punto para cada una de ellas. Otros métodos que solo se usan en algunas especies son: - Polinización con polen de especies emparentadas cuyos cromosomas se pierden en el híbrido (Hordeum, Solanum, Medicago, etc.) o con polen extraño (trigo con polen de maíz), o irradiado. - Por castración y polinización retrasada hasta el límite de receptividad (maíz). - Utilizando genotipos estimuladores (lino, maíz). - Cultivo de óvulos no fecundados u otras células del ovario (remolacha, gerbera).  Los haploides deben de identificarse siempre mediante el conteo del número de cromosomas. Los marcadores moleculares pueden facilitar la identificación pero luego hay que comprobar por conteo. 11.2.2. Mitosis y meiosis de los haploides La mitosis de las células haploides es normalmente regular. Sin embargo la meiosis es por fuerza irregular en los auténticos haploides (monoploides) y no hay apareamiento entre cromosomas en la división meiótica. Cuando se obtienen haploides a partir de una especie tetraploide se obtiene una planta diploide, con meiosis regular y fértil. 11.2.3. Utilidad de los haploides en Mejora Los haploides de cualquier tipo se emplean: - Para obtener líneas puras absolutamente homocigóticas para todos sus caracteres por duplicación cromosómica (dobles haploides). - Para la eliminación de genes letales o indeseables, ya que en el haploide los recesivos no están encubiertos por los dominantes. Permite descartar plantas con genes defectuosos en la obtención de mutantes artificiales. - En estudios evolutivos utilizando la información que suministra la meiosis. Si un haploide es totalmente fértil, la especie en cuestión es un autoploide perfecto. - En especies tetraploides como la patata o la alfalfa la Mejora se realiza a veces a nivel diploide y una vez obtenida la planta con los caracteres deseados de vuelve de nuevo al nivel tetraploide por duplicación con colchicina.  11.3. Poliploidía natural. En general se sospecha un origen poliploide en las especies con un número básico de cromosomas mayor que 10 (aunque el maíz con n=10 es un aloploide ancestral). 11.3.1. Autoploides naturales. La poliploidía natural se da en casi todas las especies aunque normalmente con baja frecuencia. Se estima que un 30-35% de las fanerógamas son de origen poliploide, y eso sin considerar las familias con origen poliploide lejano como las leguminosas actuales, con n=14, derivadas de un n=7 ancestral. Hay muchos poliploides naturales y es difícil distinguir entre los auténticos y los alopoliploides entre subespecies o ecotipos. Son triploides naturales el té, la morera, el crisantemo, el banano y algunas variedades de manzano y rosa. Son tetraploides naturales la patata, la alfalfa, el cacahuete y el cafeto. Son hexaploides la batata, y forrajeras como festucas y vallicos. La caña de azúcar presenta niveles altos y variables de poliploidía. En el caso de la patata y también recientemente con la alfalfa, se prefiere trabajar a nivel diploide aprovechando la facilidad de obtener haploides en ella y de conseguir duplicar en ellos su complemento una vez obtenido el material deseado.  En algunas especies de clavel hay individuos 2n, 4n, 6n, y 12 n Plantación de caña de azúcar 11.3.2. Aloploides naturales Entre ellos están el trigo duro, trigo harinero, tabaco, algodón, avena, manzano, peral, fresón, colza, col, etc. Para distinguir un aloploide natural con fertilidad total, de un diploide normal, hay que observar la meiosis de los híbridos entre dicho aloploide y sus especies parentales. Así se demostró el origen aloploide de los trigos duros (de constitución AABB) y de los trigos harineros (AABBDD) y con posterioridad de muchas especies más. El trigo harinero cultivado es un aloploide natural (procede de la hibridación y duplicación cromosómica espontánea) de plantas con tres genomas: el AA, procedente de Triticum monococcum, el BB de T. speltoides y el DD de T. tauschii El fresón F. x ananassa es el resultado del cruce espontáneo en Europa entre dos octoploide, Fragaria chiloensis y Fragaria virginiana. Fresón cultivado (Fragaria x ananassa)  11.4. Autoploides artificiales. Se trata de conseguir individuos que tengan un numero de genomios que sea múltiplo del complemento haploide n, o sea 3n, 4n, 5n, etc. El nivel más frecuente es el tetraploide 4n. A lo largo del siglo XX se pensó en una revolución poliploide en la Mejora gracias a la poliploidía inducida, pero el balance ha sido poco espectacular en cuanto a obtención de cultivares de interés se refiere. No todas las especies muestran la misma facilidad para su tetraploidización. Conviene hacer una buena revisión bibliográfica previa. 11.4.1. Obtención de Autoploides e identificación El sistema consagrado desde hace mucho tiempo es la utilización de colchicina, sustancia que produce una mitosis anormal (c-mitosis) en la que se generan células tetraploides (4n) en lugar de diploides (2n). Puede aplicarse por inmersión, por microinyección y sobre todo por absorción en el meristemo terminal. La concentración, tiempo y forma de realizar el tratamiento dependen del tipo de material, y al terminar se transfieren las plantitas a maceta o al invernadero para completar su desarrollo. Hay que tener en cuenta que sólo algunas células del tejido tratado se convierten en tetraploides por lo que debemos comprobar que las semillas o propágulos vegetativos elegidos lo son.  Aplicación de la colchicina Además de la colchicina, otros métodos utilizados son: - Tratamientos con Óxido Nitroso a baja presión a flores recién polinizadas. Se reduce la formación de quimeras. - A partir de tejidos de cicatrización que se forman en las heridas. - Mediante choques térmicos en órganos florales después de la polinización. - En la descendencia de mutantes con fallos en la meiosis. - De forma natural en algunas especies que producen gametos no reducidos (2x) con los que se puede obtener plantas 4x o 3x, tal como ocurre en los poliploides naturales. La identificación puede hacerse por: - Suelen presentar gigantismo y menor velocidad de desarrollo. - Sus células suelen ser mayores o diferentes. - Hay que recurrir al conteo cromosómico para confirmar. 11.4.2. Mitosis y meiosis de los autoploides La mitosis es normal, pero la meiosis presenta anomalías al aparearse los cromosomas homólogos (multivalentes) teniéndose como consecuencia una gran infertilidad. Todo esto ocurre en los poliploides recientes, en los viejos se han podido resolver los problemas por selección natural por un proceso denominado de diploidización. Por encima del nivel tetraploide la diploidización es difícil por la complejidad de la meiosis y la permanencia de esos individuos entre los seres vivos solo es posible por la reproducción vegetativa. La apomixia representa un escape a la infertilidad. Es por esto que la mayor parte de las especies plurianuales y las apomícticas son poliploides. En lugar de los dos alelos de un diploide hay cuatro que dan lugar a cinco combinaciones diferentes, tres de ellas heterocigóticas y la segregación se complica. Se denominan en función del número de alelos dominantes, cuadriplexo, triplexo, duplexo, simplexo o nuliplexo.  La citogenética ha sido fundamental para descubrir el origen poliploide de muchas especies 11.4.3. Utilidad de los autoploides en la mejora. Son muy infértiles, pero a veces desarrollan una gran masa vegetativa y órganos de mayor tamaño (gigantismo) por lo que se incitó su uso en la agricultura, con mayor éxito cuando el número diploide de cromosomas es bajo, en alógamas y cuando del cultivo se aprovechan las partes vegetativas (por ej. en forrajeras) Aunque es muy poco frecuente en especies cuyo producto es la semilla, existen tetraploides comerciales en centeno. También los hay en especies utilizables por su fruto o partes vegetativas como en remolacha (tri o tetraploide), vid (4n), rábano (4n), espinaca (4n), etc. Los triploides se buscan en particular para producir frutos partenocárpicos (sin pepitas) como en sandía y mandarina. Hay variedades poliploides en forrajeras y pueden ser interesantes en ornamentales (flores de mayor tamaño). Para obtener semilla triploide los parentales femeninos son en general los tetraploides (que no hay que castrar por la infertilidad de su propio polen) y los masculinos los diploides. Como regla general la obtención de poliploides y el manejo de los existentes hay que acompañarla de selección para aumentar su fertilidad si la propagación se va a hacer por medio de semilla. La sandía sin pepitas: la historia de un triploide 11.5. Aloploides artificiales. Se trata ahora de conseguir nuevas especies que tengan genomios de dos o más especies. Si tenemos un híbrido interespecífico con (n1+n2) cromosomas su duplicación origina un alotetraploide de complemento 2n1+2n2. Si se cruza con una especie de 2n3 cromosomas tendremos el alohexaploide 2n1+2n2+2n3. Además de por la duplicación de cromosomas de un híbrido interespecífico, también se puede llegar por el cruzamiento entre dos autoploides 4n y 4n’. 11.5.1. Híbridos interespecíficos. Se obtienen por el cruzamiento de dos especies distintas. La meiosis del híbrido será tanto más normal cuanto más se parezcan las especies. Si las dos especies son muy diferentes el cruzamiento será difícil y habrá que utilizar procedimientos especiales como el rescate de embriones y el cultivo de tejidos para su desarrollo. La infertilidad suele ser total como es el caso del mulo. Solo cabe la reproducción vegetativa que se ha utilizado en Mejora de ornamentales y forestales. En algunos casos intermedios se dan distintos grados de fertilidad que tiene gran interés por la existencia de especies o formas puente que permiten transferir caracteres, en particular de resistencia a enfermedades desde sus parientes silvestres. La dificultad para la obtención de híbridos interespecíficos suele estar en las barreras que encuentra el tubo polínico en su camino hacia el óvulo. Han debido ser los primeros frutos planificados por una Mejora consciente y son frecuentes entre las plantas ornamentales. Bulbophyllum fascination: un híbrido interespecífico  11.5.2. Obtención de Aloploides a partir de híbridos interespecíficos. Sabiendo como se producen en la naturaleza, los Mejoradores ha sido capaces de repetir el proceso en el laboratorio. Se obtiene primero el híbrido interespecífico y luego se duplica el número de cromosomas con colchicina. En los aloploides artificiales hace falta un proceso de diploidización mediante selección artificial. La consecución de un triticale (aloploide entre trigo y centeno) perfectamente fértil ha durado casi un siglo. Uno de los pioneros en los estudios de citogenética y la mejora de esta especie fue el profesor Enrique Sánchez Monge que inicio sus trabajos en 1947 y liberó su primera variedad “Cachirulo” en 1969. Además del triticale, tenemos el tritordeum (entre trigo y Hordeum chilense), obtenido por un grupo de investigadores cordobeses liderado por Antonio Martín Muñoz, el Raphano-brassica (entre rábano y col), y el vallico híbrido (entre Lolium multiflorum y L. perenne). La fertilidad del aloploide resultante está en relación inversa con la del híbrido interespecífico. 11.5.3. Obtención de Aloploides por fusión de protoplastos. A partir de la fusión de dos protoplastos (células somáticas solo protegidas por la membrana plasmática) se pensó que se podrían crear todo tipo de híbridos somáticos que una vez regenerados “in vitro” darían lugar a prácticamente todo tipo de aloploides. La experiencia actual no es muy positiva. Solo se ha tenido éxito entre especies de Petunia, Nicotiana, Daucus, Brassica, Solanum, Medicago, etc. Se han transferido algunos genes de resistencia a enfermedades entre especies emparentadas pero se ha fracasado en proyectos más ambiciosos como en la hibridación de patata por tomate, soja por maíz o cereal por leguminosa buscando lo mejor de cada especie. 11.5.4. Utilidad de los aloploides en la mejora. Los aloploides son una poderosa herramienta en la investigación sobre los orígenes y vías evolutivas del material vegetal. Pueden servir como puentes genéticos en la Mejora de especies aloploides. Se han usado en mejora de trigo y algodón. Pueden utilizarse en la llamada construcción genómica componiendo nuevos genomios a partir de los existentes, como es el caso de la combinación entre el trigo (AABBDD) y el triticale (AABBRR) que dio lugar al triticale “Armadillo” que permitió un salto cualitativo en la mejora de esta especie.  Triticale Armadillo (CIMMYT)