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. pasp@fagro.edu.uy 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 Curso de Fitotecnia Pablo Speranza 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 Pablo Speranza 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 Pablo Speranza 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 Curso de Fitotecnia Pablo Speranza 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 Pablo Speranza 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 Pablo Speranza 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 a e ge es p tr a 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 Curso de Fitotecnia Pablo Speranza 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 Pablo Speranza 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