Resistencia genética. Fuentes de diversidad de los patógenos

Resistencia genética.
Fuentes de diversidad de
los patógenos.
Control genético.
Curso de Fitopatología
Noviembre 2011
Ing. Agr. (MSc) Vivienne Gepp
Complejo causal de la enfermedad.
Patógeno
Pregunta inicial:
• Inoculo cada una de 100 plantas de trigo
con 100 esporas de la roya de la hoja del
trigo.
• ¿Aparecerán 100 pústulas en cada
planta?
• ¿Todas las pústulas aparecerán
simultáneamente y tendrán el mismo
tamaño?
RESISTENCIA GENÉTICA:
= interferencia y/o reducción del crecimiento
o desarrollo del patógeno que es
provocada por la planta.
Tipos de resistencia:
Enfermedad
– Resistencia del no huésped
• No induce germinación / nacimiento (inóculo)
• No encontrar estomas
Huésped
Ambiente
• No infectar
– Resistencia genética a un patógeno de esa
especie vegetal
RESISTENCIA GENÉTICA:
Conceptos relacionados
= interferencia y/o reducción del crecimiento
o desarrollo del patógeno que es
provocada por la planta.
Tolerancia
= crecimiento y desarrollo del patógeno
pero < menor efecto nocivo en la planta o
cultivo.
La resistencia genética no es absoluta →
niveles de resistencia
Evasión o escape ≠ resistencia
Resistencia adquirida
RESISTENCIA
SUSCEPTIBILIDAD
1
¿Cómo interactúan
la planta con el patógeno?
Mecanismos de
defensa
↑
Genotipo de la planta
Huésped ↔ Patógeno
Especie
Especie
Especie
Forma especial /
patovar
Cultivar
Raza
Individuo (planta)
Individuo (espora)
Genotipo del huésped
Genotipo del patógeno
Mecanismos de
patogenicidad
↑
Genotipo del patógeno
Conceptos fundamentales:
Biotipo
Patotipo
¿Cómo saber si existe resistencia?
• Comparar con otro cv. más susceptible
• Investigación – huéspedes diferenciales
Dentro de la ESPECIE PATÓGENA
pueden existir RAZAS con diferentes
VIRULENCIAS
Razas virulentas hacia determinados
genes de resistencia.
Se estudia el control de dos virus de la papa: PVY y PVX. El PVY es
transmitido por pulgones en forma no persistente. El PVX no tiene vectores
y es transmitido por contacto entre las plantas en el cultivo.
Se estudió el comportamiento de tres variedades de papa en dos zonas. Se
plantaron 1000 tubérculos por cultivar en cada localidad y los resultados
obtenidos se muestran en el cuadro siguiente.
En cada parcela se plantaron al azar 1% de tubérculos infectados con
ambos virus provenientes de las zonas en las que se investigaba.
% de infección de plantas a la cosecha
Localidad Cultivar PVY
PVX
Localidad Cultivar PVY
SAN
A
80
28
MAR
A
20
JOSE
B
20
26
DEL
B
5
C
40
1
PLATA
C
10
¿Cuáles de las variedades presentan resistencia a PVY y/o PVX?
¿A que puede deberse la diferencia en infección por PVY entre las
localidades? Fundamente.
Especies y formas especiales
de las royas de los cereales
PATÓGENO
Especie
Puccinia graminis
PVX
1
30
28
HUÉSPED
PRINCIPAL
Forma
especial
tritici
Centeno y cebada
Avena
Trigo
tritici
Trigo
hordei
Cebada
P. triticina
P. striiformis
Trigo y cebada
secalis
avenae
2
¿Cómo saber si existe resistencia?
• Comparar con otro cv. más susceptible
• Investigación – huéspedes diferenciales
¿Cómo se ve la resistencia?
• Ausencia de infección
• Diferente síntoma (Fenotipo de
infección)
• Menor desarrollo de infecciones
Tipos de infecció
infección de roya (en plá
plántula)
Fenotipo de infección
•
Depende de la
interacción
huésped –
patógeno
•
Característico
de cada sistema
huésped –
patógeno
Fenotipos de infección de Cochliobolus
sativus en cebada (Fetch and
Steffenson, 1999)
Fuente:
Singh,
Singh,
2003
Caracterización fenotípica de
diferentes niveles de resistencia
• Biotrofos: mancha
necrótico es una
respuesta del huésped
que confiere resistencia.
• No biotrofos: halo
clorótico o necrótico
puede ser parte del
síntoma y no significar
resistencia genética.
El grado de expresión fenotípica
de la resistencia depende de:
1. El alelo de resistencia (resistencia
completa-incompleta)
2. La base genética en que se encuentra el
alelo de resistencia
3. El genotipo del patógeno (homo- o
heterocigota para avirulencia)
4. Estado de desarrollo de la planta
5. Condiciones ambientales (ej.
temperatura alta o baja)
3
CARACTERIZACIÓN FENOTÍPICA
DE DIFERENTES NIVELES
DE RESISTENCIA GENÉTICA
3SISTEMA HUÉSPED-PARÁSITO
Tipos de infección (T.I.) producidos por
Puccinia triticina en trigo
T.I.
CARACTERIZACION
0 Inmune: sin pústulas
1
2
3 BIÓTROFOS
3
4
Tipos de infecció
infección en plá
plántula
R: 00-2
S: 33-4
Resistente (R): pústulas muy chicas rodeadas
de tejido muerto
Moderadamente resistente (MR): pústulas
chicas-medianas con algo de tejido muerto
Moderadamente susceptible (MS): pústulas
medianas sin tejido muerto
Susceptible (S): pústulas grandes sin tejido
muerto
CARACTERIZACIÓN FENOTÍPICA
DE DIFERENTES NIVELES
DE RESISTENCIA GENÉTICA
3SISTEMA HUÉSPED-PARÁSITO
3 NO BIÓTROFOS
0
;
1
2
X
3
4
Fuente:
Singh,
Singh,
2003
Mancha borrosa en trigo.
Respuestas a la infección de Cochliobolus sativus
Fenotipos de infección de Cochliobolus sativus
en cebada (Fetch and Steffenson, 1999)
4
Caracterización fenotípica de
diferentes niveles de resistencia
• Biotrofos: mancha
necrótico es una
respuesta del huésped
que confiere resistencia.
• No biotrofos: halo
clorótico o necrótico
puede ser parte del
síntoma y no significa
resistencia genética.
El grado de expresión fenotípica
de la resistencia depende de:
1. El alelo de resistencia (resistencia
completa-incompleta)
2. La base genética en que se encuentra el
alelo de resistencia
3. El genotipo del patógeno (homo- o
heterocigota para avirulencia)
4. Estado de desarrollo de la planta
5. Condiciones ambientales (ej.
temperatura alta o baja)
Criterios para categorizar
resistencias
Caracterización de la
resistencia genética
1. Número de genes involucrados
2. Magnitud del efecto de cada gen
3. Especificidad frente a razas
4. Duración en el tiempo
1. Número de genes involucrados:
• 1 = monogénica
• Pocos = oligogénica
N° de genes y razas reconocidos
Cultivo
Patógeno
N° genes R
N° razas
Lechuga
Bremia lactucae
> 16
Muchas
Papa
Phytophthora
infestans
¾11
Muchas
Cebada
Blumeria graminis
f.sp. hordei
¾20
Muchas
Cebada
Puccinia hordei
> 20
Muchas
Avena
Puccinia coronata
¾40
Muchas
Arroz
Magnaporhe grisea
14
Muchas
• Varios = poligénica
• ¿Cuál será más facil de vencer
(desarrollar virulencia)?
5
2. Magnitud del efecto
Resistencia cualitativa:
• Fuerte interacción huésped-parásito
→
– Reacción compatible (enfermedad)
– Reacción incompatible (sano)
Resistencia cuantitativa
2. Magnitud del efecto
Resistencia cualitativa:
Resistencia cuantitativa:
Resistencia parcial – menor desarrollo
de epidemia por:
> período de latencia
< frecuencia de infección
< N° de esporas o de infecciones
< crecimiento de lesión
Teoría de gen por gen
(o teorá de Flor)
• Flor (1942) llegó a la conclusión que por
cada gen determinante de resistencia en
el huésped, existe un gen de virulencia
correspondiente en el patógeno.
• 26 genes (alelos) de resistencia en el lino
– 26 genes (alelos) de virulencia en la
roya (Melampsora lini).
2. Magnitud del efecto
Resistencia cualitativa:
Resistencia cuantitativa:
≠ cv susceptibles muestran ≠ grados
de infección
• A campo se observa luego de varios
ciclos de infección en las cuales se
acumularon pequeñas ≠ en
crecimiento y reproducción del
patógeno
Criterios para categorizar
resistencias
1. Número de genes involucrados
2. Magnitud del efecto de cada gen
3. Especificidad frente a razas
4. Duración en el tiempo
¿Existen los alelos de virulencia?
• La planta que tiene el alelo de resistencia
(R) reconoce algo derivado del gen de
avirulencia (Av) en el patógeno y esto
desencadena la reacción de defensa.
• Hipótesis:
Gen R → Proteína R → reconoce →
Proteína Av ← Gen Av
6
Teoría de gen por gen (2)
• Por cada gen de avirulencia en el
patógeno existe un gen de resistencia en
el huésped cuya interacción deriva la
activación de mecanismos de defensa.
• Un gen de resistencia sólo es efectivo si el
patógeno que intenta infectar posee el
correspondiente alelo de avirulencia.
• Los alelos de virulencia no activan
resistencia en el huésped.
Especificidad frente a razas
• La especificidad se da entre el alelo de
resistencia y el alelo de avirulencia
• El alelo de resistencia reconoce las razas
que poseen el alelo complementario de
avirulencia.
HUESPED
P
A
T
O
G
E
N
O
rr
R-
AA
s
R
aa
s
s
En muchos casos:
EJEMPLOS DE INTERACCIÓN GEN POR GEN
ROYAS
Linum - Melampsora lini
Zea – Puccinia sorghi
Triticum – Puccinia recondita
Avena – Puccinia graminis avenae
Helianthus – Puccinia helianthi
Coffea – Hemileia vastatrix
CARBONES
Avena – Ustilago avenae
Hordeum – Ustilago hordei
OTROS HONGOS
Malus – Venturia inaequalis
Solanum – Phytophthora infestans
Lycopersicon – Cladosporium fulvum
NEMÁTODOS
Solanum – Heterodera rostochiensis
INSECTOS
Triticum – Mayetolia destructor
BACTERIAS
Gossypium – Xhantomonas malvacearum
Leguminosae - Rhizobium
VIRUS
Lycopersicon - TMV
Solanum – Virus X de la papa
HUÉSPED: GENES DE RESISTENCIA
CARÁCTER DOMINANTE
PATÓGENO: GENES DE VIRULENCIA
CARÁCTER RECESIVO
7
Con dos loci especificos y
complementarios
R1 _ R2 _
R1 _ r2r2
Con dos loci especificos y
complementarios
r1r1 r2r2
R1 _ R2 _
R1 _ r2r2
r1r1 r2r2
A1_ A2_
R
R
S
A1_ A2_
-
-
+
A1_ a2a2
R
R
S
A1_ a2a2
-
-
+
a1a1 a2a2
S
S
S
a1a1 a2a2
+
+
+
Especificidad frente a razas
Espectro de virulencia
• La especificidad se da entre el alelo de
resistencia y el alelo de avirulencia
• El alelo reconoce las razas que poseen el
alelo complementario de avirulencia.
Cv.
Sultan
Sudan
Peruvian
Ribari
Gold
Quinn
Bolivia
C. Capa
Aislamientos de P. hordei
Gen
Pa-1
Pa-2
Pa-3
Pa-4
Pa-2+Pa-5
Pa-2+Pa-6
Pa-7
1.2.1
+
+
+
+
+
+
-
13
+
+
+
+
+
+
-
28
+
+
+
+
+
+
+
8
+
+
+
+
+
-
AGB
+
+
+
-
• Se determina inoculando un conjunto de
huéspedes diferenciales (con ≠ genes R)
Tipos de infección de genotipos de cebada infectadas
con dos aislamientos de Cochliobolus sativus, inductor
de la mancha borrosa.
Espectro de virulencia
Cebada
• De una raza del patógeno
22
+
+
+
+
+
-
CULTIVAR
Aislamiento A Aislamiento B
1
9
9 virulento
9
9 virulento
2
2
2 avirulento
1
1 avirulento
3
8
8 virulento
1
1 avirulento
4
2 avirulento
2
8 virulento
8
8
RESISTENCIA ESPECÍFICA
CV
1
RAZAS
2
3
4
5
A
+
-
+
+
+
B
+
+
-
+
-
C
-
+
+
+
+
D
-
-
-
-
+
E
+
+
+
+
+
Resistencia vertical
• Resistencia raza específica, cualitativa →
reacción compatible (+) o incompatible (-)
• Pocos genes involucrados
• Normalmente a través de reacción de
hipersensibilidad – actúa en etapa inicial
de infección
Resistencia de un cultivar de papa
a Phytophtora infestans
RESISTENCIA VERTICAL
O RAZA-ESPECÍFICA
RESISTENCIA R1
1
¿EXISTE RESISTENCIA
INESPECÍFICA?
0.4
0
0
1
2
3
1,2 1,3 1,4 2,3 1,2,3
RESISTENCIA HORIZONTAL
Razas de Phytophtora infestans
Cebada – Puccinia hordei
11-1
8,1
4,5
0,8
* En ausencia de
especificidad
sería ~ 3,2
** En ausencia de
especificidad
sería ~ 2
1-2
3,1
1,8
0,6
22
5**
1,1
0,2
24
0,9
0,4
0,1
15
A islam ien to s
Cultivar
Berac
Julia
Vada
Aislamiento
18
6,7
12.1*
0,5
Cebada – Puccinia hordei
Berac
10
Julia
5
Vada
Si no existiera interacción cultivar-raza:
Cultivar
Berac
Julia
Vada
11-1
8,1
4,5
0,8
Aislamiento
18
6,7
3,2
0,5
1-2
3,1
1,8
0,6
22
2
1,1
0,2
24
0,9
0,4
0,1
0
11-1
18
1-2
22
24
9
Resistencia parcial
Resistencia parcial
Puede ser:
• Poligénica
• Monogénica
• Ambos suelen ser durables
• Roya de la hoja de cebada:
– Esporas más pequeñas
– Menor producción de esporas
• Debido a varios loci de efecto
pequeño – “loci de carácter
cuantitativo” = QTLs
Severidad para 2 enfermedades en 3 cultivares
Variedad de Resistencias
100
80
60
40
20
0
Cv X
Cv Y
Cv Z
A1
A2
A3
A4
B1
Patógeno A
B2
B3
B4
• Varias clases de resistencia pueden
coexistir – difíciles de categorizar
B5
Patógeno B
• ¿Cuál cv es más resistente?
• Susceptibilidad y resistencia deben ser
correctamente caracterizados para cada
sistema huésped – patógeno.
• Interacción diferencial
Criterios para categorizar
resistencias
Duración en el tiempo
• La resistencia gené
genética no dura para siempre.
1. Número de genes involucrados
2. Magnitud del efecto de cada gen
3. Especificidad frente a razas
4. Duración en el tiempo
Tizón tardío de la
papa
Nivel de resistencia de variedades disponibles
en diferentes años
Nivel de resistencia
2=susceptible a 9=resistente
Cultivar
1965
1970
1975
1980
1985
1990
Gen R
Multa
9
9
6
6
6
-
+
Spartaan
9
6
5
5
5
-
+
Provita
9
7
5
5
5
5
+
Irene
8
8
8
7
7
7
-
Bintje
3
3
3
3
3
3
-
Alfa
7
7
7
7
7
-
-
10
Cambios en la frecuencia de virulencia específica
antes (A), durante (B) y luego de la incorporación
del gen de resistencia específico .
INTERACCIÓN HUESPED - PATOGENO
ESPECIE
Triticum aestivum
Don Alberto
CULTIVAR
Pelón 90
PATÓGENO
P. triticina
RAZAS
A
B
N
VIRULENTA
AVIRULENTA
La resistencia no se mantiene
Durabilidad
• Resistencia durable = si se mantiene pro
un período largo de tiempo durante el cual
es utilizada en gran escala en un
ambiente propicio al patógeno.
Relación con carácterísticas del patógeno.
3 grupos:
A. durabilidad baja y alto N° de genes R
conocidos – a menudo hongos biotrofos
(royas, oidios) o hemibiotrofos, de la parte
aérea, diseminados por aire o agua.
B. Alta durabilidad y bajo N° de genes R
conocidos – Fusarium oxysporum, virus
C. Durable y no se conocen razas.
• No se puede prever durabilidad.
• Sólo se puede determinar en forma
retroactiva.
La resistencia no se mantiene
• ¿Por qué?
• Por la capacidad de los patógenos de
variar su virulencia.
• De evitar el efecto de los genes de
resistencia.
NATURALEZA DINÁMICA
Conceptos fundamentales:
•
•
•
•
•
Coevolución de especies
Patogenicidad y virulencia
Mecanismos de variabilidad
Fuentes de variabilidad
Categorías taxonómicas subespecíficas:
– en vegetales
– en los patógenos
• Impacto de la diversidad patogénica en la
pérdida de efectividad de medidas de manejo.
11
INTERACCIÓN HUESPED - PATOGENO
ESPECIE
Don Alberto
CULTIVAR
Pelón 90
PATÓGENO
P. triticina
RAZAS
A
B
N
Coevolución en la naturaleza
Triticum aestivum
Planta
Patógeno
¿Duración del ciclo
de vida?
¿Duración del ciclo
de vida?
¿Cuál varía más rápidamente?
VIRULENTA
AVIRULENTA
¿En qué casos habrá mayor
coevolución?
• ¿Patógenos específicos – polífagos?
Mecanismos de generación de
variabilidad en hongos
1. MUTACIÓN
• ¿Biotrofos –hemibiotrofos – necrotrofos?
= cambio abrupto en el material genético
heredado a la progenie.
• ¿Existe coevolución en cultivos?
EJEMPLO: Erysiphe graminis
1013 conidios/ha/día
10-7 tasa de mutación
Mutación como fuente de
variabilidad
1. Genera nuevos genes/alelos
genes/alelos
2. Su contribució
contribución como fuente de
variabilidad depende de:
106 mutantes
para virulencia
Caso Puccinia striiformis - trigo
• En Australia (sin huésped alternativo):
– 1 raza introducida en 1979
– 11 razas en 1990
1. Tasa de mutació
mutación
2. Tamañ
Tamaño de la població
población
3. Nivel de ploidí
ploidía del pató
patógeno
4. Ventaja selectiva del mutante
12
Mecanismos de generación de
variabilidad en hongos
2. RECOMBINACIÓN SEXUAL
Cambia las combinaciones de alelos
Caso de Puccinia graminis f.sp. tritici en EEUU
• Media de razas detectadas por año:
– Previo a la erradicación del agracejo:
17,5
– luego de la erradicación del agracejo, en 1928: 10,2
– luego de la erradicación del agracejo, en 1998:
7
y 95% de la población constituido por 3 razas.
Mecanismos de generación de
variabilidad en Hongos
4. HERENCIA CITOPLASMÁTICA
- en algunos casos virulencia se hereda de
línea materna (Puccinia graminis f.sp. avenae)
5. HETEROCARIOSIS
Coexistencia de 2 núcleos genéticamente diferentes en
cada célula.
Rhizoctonia solani heterocariótico más virulento que
parentales haploides.
Mecanismos de generación de
variabilidad en hongos
3. RECOMBINACIÓN SOMÁTICA
Cambia las combinaciones de alelos
Hongos que poseen gran variabilidad genética
aunque la reproducción sexual no se de.
Ciclo parasexual
Mecanismos de generación de
variabilidad en Bacterias
1. Mutación
2. Transformación
3. Transducción
4. Conjugación
Bergamin Filho, Kimati y Amorim. 1995.
Mecanismos de generación de
variabilidad en Virus
• Mutación
• Recombinación genómica
FUENTES DE VARIABILIDAD
1. Mecanismos de variabilidad (mutación,
etc.)
2. Selección
Si un genotipo posee ventajas
comparativas, se multiplica más y
aumentará su proporción en la población
3. Migración
Nuevos genotipos que aparecen en un lugar
se diseminan.
13
Consecuencias de la variabilidad
• Aparición e incremento de razas virulentas
→ pérdida de efectividad de genes de
resistencia
• Aparición e incremento de razas con
menor sensibilidad a plaguicidas (ej.
fungicidas) → pérdida de efectividad de
plaguicidas.
Factores de riesgo de pérdida de
efectividad de genes R
1. Capacidad del patógeno de producir nuevas
razas
2. Tamaño de la población del patógeno
3. Presión de selección
HOMBRE
Casos:
a) 10.000 ha de cv con R1
b) 1000 ha de cv con R1 + 9000 de cv r1 r1
c) 1000 ha de cv con R1 + 1000 ha de cv con R2 +
1000 ha de cv con R3 + 1000 ha de cv con R4 +
1000 ha de cv con R5 + 1000 ha de cv con R6 +
1000 ha de cv con R7 + 1000 ha de cv con R8 +
1000 ha de cv con R9 + 1000 ha de cv con R10
POTENCIALIZAR
GENES
DE RESISTENCIA
CONTROL GENÉTICO
MANEJO DE LOS
CULTIVARES RESISTENTES
Conceptos fundamentales
• Resistencia genética = capacidad de
la planta de interferir en y/o reducir el
desarrollo del patógeno en sus
tejidos.
• Resistencia genética ≠ inmunidad
• → resistencia no implica ausencia de
enfermedad
¿Por qué no implica ausencia de
enfermedad?
• Razas del patógeno
virulentas para el cv.
• Resistencia parcial
14
Estrategias de mejoramiento:
• Resistencia monogénica, cualitativa?
• Resistencia monogénica, parcial?
• Resistencia poligénica, parcial?
Manejo de variedades resistentes
1. Diversificación varietal (de genes R)
1. En el espacio:
Estrategia de utilización de genes
no durables
Objetivos:
1. Dificultar la formación de raza virulenta
2. Impedir su instalación, reproducción y
dispersión.
Manejo de variedades resistente
1. Diversificación varietal (de genes R)
2. Integrar resistencia genética a la
1. Pirámide de genes
2. Diversidad a nivel de cultivo: mezcla de cultivares,
estrategia de manejo (NO sustituir)
•
Rotaciones
3. Diversidad a nivel de predio
•
Semilla sana
4. Diversidad a nivel de regiones
•
Fecha de siembra …..
multilíneas
2. En el tiempo: cultivos sucesivos
< población →
< P de mutación
y < pérdidas si
aparece
15
¿Diversificar genes R?
Necesidades:
• Conocer los genes de los cv.
• Conocer la población local de razas.
• Dada la naturaleza dinámica de la
interacción →
– Evaluación sanitaria periódica
– Evaluación sanitaria nacional
– Información actualizada y disponible para los
técnicos
Estrategias de uso de genes de
resistencia para royas de cereales
y oleaginosas
1. Plan de liberación de genes R
2. Múltiples genes R en un cv.
3. Rotación de cv en el tiempo y el espacio
– disminuye presión de selección
4. Ubicación regional de genes R
5. Multilíneas
VARIEDADES RESISTENTES
Barrera N° 1
• No debe ser la única herramienta de
manejo.
La intensidad de la enfermedad en un
cultivo es el resultado de la interacción de
múltiples factores.
El manejo de la misma debería basarse en
la combinación más adecuada de todas
las medidas disponibles.
MANEJO INTEGRADO
PRODUCCIÓN INTEGRADA
16