ESCUELA DE CIENCIAS AGRÍCOLAS, PECUARIAS Y DEL MEDIO AMBIENTE
FITOMEJORAMIENTO
SUSANA GÓMEZ POSADA Ingeniero Agrónomo. MANUEL FRANCISCO POLANCO Ingeniero Agrónomo Esp.
PEREIRA - 2007 1
COMITÉ DIRECTIVO Jaime Alberto Leal Afanador Rector Roberto Salazar Ramos Vicerrector Académico Sehifar Ballesteros Moreno Vicerrector Administrativo y Financiero Maribel Córdoba Guerrero Secretaria General Edgar Guillermo Rodríguez Director de Planeación
MÓDULO
FITOMEJORAMIENTO
© Copyrigth Universidad Nacional Abierta y a Distancia ISBN
2007 Centro Nacional de Medios para el Aprendizaje
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Contenido UNIDAD 1 ....................................................................................................... 9 PRINCIPIOS Y OBJETIVOS DEL FITOMEJORAMIENTO ............................ 9 INTRODUCCIÓN ........................................................................................ 9 CAPITULO 1................................................................................................. 10 OBJETIVOS BÁSICOS DEL FITOMEJORAMIENTO Y SISTEMAS EVOLUTIVOS DE LAS PLANTAS............................................................... 10 INTRODUCCIÓN. ..................................................................................... 10 1.Lección 1. Importancia del Fitomejoramiento. .................................... 12 1.1 Justificación del fitomejoramiento .................................................... 13 1.2 Objetivos básicos de fitomejoramiento ............................................ 15 1.3 El Fitomejoramiento en Colombia.................................................... 16 2.Lección 2. Hechos históricos de la biología y la genética relacionados con el fitomejoramiento. ........................................................................... 19 2.1. Hechos históricos más sobresalientes............................................ 19 2.2 El impacto de la biotecnología en el desarrollo sostenible de la agricultura. ............................................................................................. 22 3. Lección 3. Mecanismos naturales de la multiplicación de las plantas. .. 24 3.1. La reproducción sexual................................................................... 24 3.2. Reproducción asexual. ................................................................... 26 4. Lección 4. Origen de las especies vegetales y su domesticación ......... 29 4.1 Centro de origen de las especies cultivadas.................................... 29 4.2. Domesticación de las plantas ......................................................... 33 CAPITULO 2................................................................................................. 35 BASES DEL FITOMEJORAMIENTO CONVENCIONAL ............................ 35 INTRODUCCIÓN. ..................................................................................... 35 5. Lección 5. Genética Mendeliana. .......................................................... 36 5.1 Las Leyes de Mendel....................................................................... 36 5.2 El Gen.............................................................................................. 39 5.3 Los Genes Alelos............................................................................. 40 5.4 Los cromosomas. ............................................................................ 41 5.5 El Genotipo. ..................................................................................... 42 5.6 Fenotipo........................................................................................... 43 3
6. LECCIÓN 6. CRUZAMIENTOS Y SEGREGACIÓN.............................. 45 6.1. Cruzamientos ............................................................................... 45 6.2 SEGREGACIÓN. ............................................................................. 46 7. Lección 7. Carácter, heredabilidad y variabilidad genética.................... 49 7.1 El carácter........................................................................................ 49 7.2 Heredabilidad................................................................................... 52 7.3 La variabilidad genética. .................................................................. 53 8. Lección 8. Cruzamiento polihíbrido ....................................................... 56 9. Lección 9. Herencia ligada al sexo....................................................... 59 CAPITULO 3................................................................................................. 62 Patrones modificadores de la herencia Mendeliana................................ 62 INTRODUCCIÓN. ......................................................................................... 62 10. Lección 10. Interacciones Alélicas. .................................................... 63 10.1 Dominancia.................................................................................... 63 10.2 Recesividad. .................................................................................. 63 10.3 Codominancia................................................................................ 63 10.4 Sobredominancia........................................................................... 64 10.5 Series alélicas o Alelismo múltiple. ................................................ 65 11. Lección 11. Interacciones no alélicas.................................................. 67 11.1 Epístasis o interacción interalélica :............................................... 67 11.2 Epístasis dominante: 12:3:1........................................................... 67 11.3 Epístasis recesiva: ......................................................................... 68 11.4 Epístasis Doble Dominante. (15:1) ................................................ 68 11.5 Doble Epístasis recesiva (9:7) ....................................................... 69 11.6 Genes duplicados con efectos acumulativos (9: 6: 1).................... 69 12. Lección. 12. Ligamiento y recombinación genética ........................... 71 12.1 Clases de ligamiento:..................................................................... 71 13. Lección 13. Cruce de prueba. ............................................................. 74 14. Lección 14. Interacción genotipo por ambiente. .................................. 76 15. Lección 15. Estabilidad y adaptabilidad............................................... 79 UNIDAD 2 ..................................................................................................... 82 SISTEMAS DE REPRODUCCIÓN DE LAS PLANTAS CULTIVADAS ....... 82 INTRODUCCIÓN ...................................................................................... 82
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CAPITULO 4................................................................................................. 83 Sistemas de reproducción sexual en plantas autógamas y alógamas y factores que la favorecen........................................................................... 83 INTRODUCCIÓN. ..................................................................................... 83 16. Lección 16. Plantas Autogamas .......................................................... 84 16.1 Gametogénesis en plantas. Mecanismo de Fertilización ............... 84 16.2 Plantas autógamas ........................................................................ 87 17. Lección 17. Plantas alógamas............................................................. 90 18. Lección 18. Mecanismos que Aseguran la Alogamia. ......................... 93 18.1 Dicogamia...................................................................................... 93 18.2 Plantas Intermediarias ................................................................... 94 18.3 Barreras mecánicas ....................................................................... 95 18.4 Agentes polinizadores.................................................................... 95 19.Lección 19. Plantas dioicas ............................................................... 100 19.1 Presentación secundaria de polen............................................... 101 19.2 Evolución de la dioecia ................................................................ 102 19.3 Dioecia y polinización .................................................................. 105 20. Lección 20. Incompatibilidad ............................................................. 106 20.1 Incompatibilidad bioquímica y genética ..................................... 106 20.2 Incompatibilidad gametofítica ...................................................... 110 20.3 Incompatibilidad esporofítica ....................................................... 112 21. Lección 21. Polinización Cruzada ..................................................... 115 21.1 Coevolución ................................................................................. 115 21.2 Incompatibilidad morfológica ....................................................... 117 21.3 La Esterilidad ............................................................................... 122 22. Lección 22. Androesterilidad ............................................................. 124 22.1 Androesterilidad genética ............................................................ 125 22.2 Androesterilidad citoplasmática ................................................... 127 23. Lección 23. Androesterilidad genética- citoplasmática...................... 129 CAPITULO 5............................................................................................... 132 Reproducción asexual de las Plantas..................................................... 132 INTRODUCCIÓN. ................................................................................... 132 24. Lección 24. Apomixis ........................................................................ 133 24.1 Mecanismos de Reproducción Asexual ....................................... 133 24.2 Apomixis o Agamospermia .......................................................... 135 5
25. Lección 25. Embrionía Adventicia ..................................................... 139 25.1 Embrionía nucelar........................................................................ 140 25.2 Seudogamia................................................................................. 141 25.3 Androgénesis............................................................................... 141 25.4 Poliembrionía............................................................................... 142 26. Lección 26. Aposporia y Diplosporia ................................................. 144 26.1 Aposporia..................................................................................... 144 26.2 Diplosporia................................................................................... 145 26.3 Control genético de la apomixis ................................................... 149 CAPITULO 6............................................................................................... 150 Genética cuantitativa................................................................................ 150 INTRODUCCIÓN. ................................................................................... 150 27. Lección 27. Genética de Poblaciones. .............................................. 151 27.1Frecuencias fenotípicas, genotípicas y alélicas o génicas............ 152 27.2 Cuantificación de la frecuencia alélica y genotípica..................... 153 27.3 Variabilidad en poblaciones naturales. Polimorfismo y heterocigosidad. .................................................................................. 154 28. Lección 28. Medidas de tendencia central. ....................................... 156 29. Lección 29. Medidas de variabilidad. ................................................ 158 30. Lección 30. Aptitud combinatoria ...................................................... 161 30.1 Evaluación de la aptitud combinatoria general (ACG.) ................ 161 30.2 Evaluación de aptitud combinatoria específica ACE.................... 162 30.3 Selección recurrente para aptitud combinatoria general.............. 163 30.4 Selección recurrente para aptitud combinatoria específica.......... 164 UNIDAD 3 ................................................................................................... 165 MÉTODOS DE MEJORAMIENTO GENÉTICO DE PLANTAS .................. 165 INTRODUCCIÓN .................................................................................... 165 CAPITULO 7............................................................................................... 166 Métodos de mejoramiento de plantas autógamas ................................. 166 INTRODUCCIÓN. ................................................................................... 166 31. Lección 31. Selección individual........................................................ 167 32. Lección 32. Selección masal. ............................................................ 170 33 Lección 33. Método genealógico ó pedigrí ......................................... 173 34 Lección 34. Método por hibridación con selección masal. ................. 177 6
35 Lección 35. Método de retrocruzamiento ........................................... 179 CAPITULO 8............................................................................................... 183 Métodos de mejoramiento de .................................................................. 183 plantas alógamas...................................................................................... 183 INTRODUCCIÓN. ................................................................................... 183 36 Lección 36. Teoría de Hardy-Weinberg.............................................. 184 36.1. Condiciones para que se presente en equilibrio en una población. ............................................................................................ 184 36.2. Consecuencias del Equilibrio Hardy-Weinberg ....................... 186 36.3 Procesos que cambian las frecuencias génicas. ......................... 187 37 Leccion 37. Selección Masal .............................................................. 189 37.1 Requisitos para una selección masal adecuada.......................... 190 37.2 Selección masal estratificada. ..................................................... 191 37.3 Selección masal convergente-divergente. ................................... 192 38. Lección 38. Selección Recurrente intrapoblacional........................... 194 38.1. Selección recurrente usando promedios de familias. .............. 197 38.2. Selección de medios hermanos: mazorca por surco modificada (Lonnquist 1964).................................................................................. 197 38.3. Selección de hermanos completos.......................................... 198 38.4. Selección recurrente de líneas S1 ........................................... 199 38.5. Selección recurrente de líneas S2........................................... 200 39. Lección 39. Selección recurrente interpoblacional. ........................... 201 39.1. Selección recurrente recíproca de familias de medios hermanos 201 39.2. Selección recurrente recíproca de familias de hermanos completos ............................................................................................ 203 39.3. Modificación de la selección recurrente recíproca de medios hermanos usando bloques aislados .................................................... 204 39.4. Modificación de la selección recurrente recíproca de medios hermanos usando plantas prolíficas. ................................................... 205 40. Lección 40. Selección por hibridación. .............................................. 206 40.1. Híbridos entre líneas consanguíneas ...................................... 207 40.2. Utilización de la androesterilidad para la producción de semilla híbrida 209 41. Lección 41. Selección en variedades sintéticas ............................... 213 41.1. Prueba de policruzamiento o poly-cross ................................. 214 41.1.1 Variedades sintéticas de líneas homocigóticas ........................ 214 41.1.2 Variedades sintéticas obtenidas de clones. .............................. 215 41.1.3 Variedades sintéticas obtenidas de autofecundaciones. .......... 215 7
41.2. Variedades sintéticas de cultivos forrajeros ............................ 216 41.3. Diferencias entre variedades sintéticas e híbridos. ................. 217 CAPITULO 9............................................................................................... 219 Métodos de fitomejoramiento no convencional..................................... 219 INTRODUCCIÓN. ................................................................................... 219 42. Leccion 42. Mejoramiento de especies de reproducción asexual .... 220 42.1. La selección clonal. ................................................................. 220 42.2. Hibridación y selección clonal ................................................. 223 42.3. Métodos de mejoramiento en especies apomíticas................. 229 43. Lección 43 Mejoramiento genético mediante inducción de mutaciones. ................................................................................................................ 232 44. Lección 44. Selección asistida con marcadores moleculares............ 236 44.1 Los Marcadores morfológicos. ................................................ 236 44.2 Los marcadores morfoagronómicos. ....................................... 236 44.1. Los marcadores bioquímicos .................................................. 237 44.3 Los marcadores moleculares .................................................. 237 45. Lección 45. Construcción de plantas transgénicas ........................... 244 45.1. Cómo se crea una Planta Transgénica? ................................. 244 45.2 Beneficios de las plantas transgénicas. ................................... 249 45.3 Desventajas de las plantas transgénicas ................................ 249 45.4 Descubiertas plantas transgénicas naturales.......................... 251 BIBLIOGRAFIA.................................................................................... 252
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UNIDAD 1 PRINCIPIOS Y OBJETIVOS DEL FITOMEJORAMIENTO
INTRODUCCIÓN El fitomejoramiento es la disciplina de las ciencias biológicas, responsable de la creación de nuevas variedades o híbridos de especies vegetales con características mejoradas de importancia como son altos rendimientos por área de producción, resistencia a las principales plagas y enfermedades, capacidad de adaptación a diferentes condiciones de clima y suelo, precocidad, mayor contenido nutricional y excelente presentación entre otras, lo cual se logra alterando o modificando la herencia genética de las plantas. Por tanto, el fitomejoramiento ha contribuido en forma decisiva al incremento de la producción agrícola desde los mismos inicios de la agricultura, pero fue con el redescubrimiento de las leyes de Mendel en 1900 por parte de Correns, De Vries y Tschermak que se instituye como ciencia y en la década de 1960 a 1970 da origen a la famosa revolución verde, con la creación de variedades de gran rendimiento en especies como el maíz, arroz, trigo y soya, que hicieron posible un aumento espectacular de la producción de alimentos en todo el mundo. Este curso pretende que el estudiante adquiera los conocimientos básicos que necesita un fitomejorador para manejar un programa de mejoramiento vegetal tanto para especies conocidas como de nuevas especies promisorias, que contribuyan a la producción de alimentos y/o demás productos útiles al hombre. De igual manera se busca profundizar en los aspectos morfofisiológicos y genéticos de las principales especies cultivadas.
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CAPITULO 1. OBJETIVOS BÁSICOS DEL FITOMEJORAMIENTO Y SISTEMAS EVOLUTIVOS DE LAS PLANTAS
INTRODUCCIÓN. Cuando el hombre nómada da el paso hacia el sedentarismo dando origen a núcleos sociales organizados, se ve en la necesidad de proveerse de alimento por medios diferentes a la caza y la recolección. En éste preciso momento surgen las bases empíricas de la agricultura. El hombre prehistórico, buen observador de la naturaleza, reconoce los procesos de desarrollo de las plantas y empieza a domesticar especies a fin de proveerse alimento en forma continua. En éste proceso debió haber escogido “las mejores semillas”, aplicando de manera empírica procesos de selección discriminatorio, en donde supo manejar de forma conciente las variaciones hereditarias de las especies, dando origen a una serie de poblaciones diferentes de plantas cultivadas cuyas características agronómicas fue manipulando a fin de crear condiciones aptas para su desarrollo y producción. Las diversas razas de maíz que aun se cultivan en toda América, son un ejemplo claro de la exitosa manipulación de la variabilidad genotípica que realizaron nuestros ancestros sobre la que se sustentaron la mayoría de las culturas de Mesoamérica. Así, desde el inicio de la agricultura el hombre se ha preocupado por hacer que sus plantas cultivadas sean mas productivas, posean una mayor resistencia a plagas, enfermedades y a condiciones adversas del medio ambiente y últimamente por que posean propiedades nutricionales superiores y de mejor calidad. Esto ha sido posible gracias al desarrollo de la ciencia del 10
mejoramiento vegetal o fitomejoramiento, enfocada a la obtención de tipos de especies aptos para satisfacer estas necesidades. El fitomejoramiento se define entonces, como la ciencia que tiene como objeto modificar o alterar la herencia genética de las plantas para obtener tipos mejorados (variedades o híbridos), mejor adaptados a condiciones especificas y de mayores rendimientos económicos que las variedades nativas o criollas (Vallejo. 1992). El mejoramiento interactúa con muchas disciplinas, entre ellas la fisiología, la fitopatología, la entomología, la climatología, la bioquímica, la genética, la biometría, la sociología, la economía, para obtener materiales genéticamente superiores, económicamente sustentables y socialmente aceptados. En un país como el nuestro, con una fuerte tradición agrícola, el desarrollo de nuevas variedades vegetales mejoradas es imperante para facilitar el desarrollo de los demás sectores productivos de la nación. Este curso pretende por tanto, dar a los estudiantes del programa de agronomía una fundamentación básica del mejoramiento de plantas, para que conozcan los métodos modernos de fitomejoramiento y su utilización en especies autógamas y alógamas.
OBJETIVOS Al finalizar el estudio del capítulo, el estudiante estará en capacidad de: 1. Reconocer la importancia de los programas de fitomejoramiento en el desarrollo agrícola de los países. 2. Deducir la influencia que tiene el fitomejoramiento en la produccion agrícola y sus consecuencias en el desarrollo socioeconómico de las regiones. 3. Conocer como ha sido el desarrollo del fitomejoramiento en Colombia y las entidades que se dedican a este fin.
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1. Lección 1. Importancia del Fitomejoramiento. Hoy día y de manera global parece superado con creces las previsiones que hiciera el reverendo Thomas Malthus en el año de 1798 de que el hambre sería el principal controlador de la explosión demográfica, al analizar como el crecimiento de la población humana seguía un comportamiento geométrico, mientras que el crecimiento de la produccion de alimentos era aritmético. El flagelo del hambre que afecta aun buen número de poblaciones en especial en países llamados del tercer mundo, a pesar de los grandes avances logrados en la agricultura al incrementar los rendimientos por área y en el tiempo, obedece mas a decisiones políticas y de mala distribución de la riqueza, que hace que los mas pobres no puedan tener una alimentación adecuada. El incremento de la productividad de las plantas, se ha logrado básicamente de tres maneras: •
Por el mejoramiento de las condiciones abióticas (medioambientales) donde se desarrollan los cultivos; con la adecuación del suelo, suministro adecuado de agua, control de heladas, suministro de nutrientes y el manejo de los factores bióticos como el mejor control de plagas, enfermedades y malezas, en otras palabras, por el mejoramiento del manejo agronómico de los cultivos.
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Por la alteración genética de las plantas, que resulta del fitomejoramiento, que produce plantas genéticamente superiores en su adaptación al medio ambiente y con mayores posibilidades de defensa ante las condiciones adversas de tipo biótico y abiótico.
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Por el aprovechamiento simultaneo del mejoramiento vegetal y manejo agronómico.
En los países industrializados la agricultura utiliza los grandes avances tecnológicos para forzar a las plantas a expresar todo su potencial genético y para modificar el genoma vegetal con biotecnología, con el fin de producir plantas transgénicas capaces de utilizar de mejor manera los insumos agrícolas y que se adecuan mejor a las condiciones agronómicas ideadas para ellas y al uso de la maquinaria diseñada para las diferentes labores culturales. Los países en vía de desarrollo enfocan los esfuerzos en fitomejoramiento al incremento de la producción agrícola a fin de garantizar la seguridad alimentaria y el aumento de los ingresos del sector agrícola. Aquí, la gran 12
mayoría de los cultivos según estimaciones, expresan sólo el 20 por ciento de su potencial productivo, debido generalmente a las altas presiones abióticas (suelos inadecuados, sequía), pero también a algunas presiones bióticas, como enfermedades, insectos plaga, competencia con arvenses y nutrición deficiente de las plantas. Bajo estas condiciones, los grandes avances logrados por el fitomejoramiento no puede resolver por si solos todos estos problemas. Además, los materiales mejorados son más costosos que los materiales autóctonos, requieren de insumos acompañantes también costosos, del uso de maquinaria y tecnologías que la mayoría de las veces no están al alcance de los agricultores de bajos recursos financieros, sin contar que los materiales mejorados pueden no estar adaptados a las condiciones locales, llevando al fracaso de la producción. En estos casos los fitomejoradores pueden contribuir a incrementar las producciones mediante la creación de variedades mejoradas, aptas para las condiciones agroecológicas particulares de región y con suficiente rusticidad para tolerar las presiones que sufren en zonas donde a menudo los fertilizantes, los productos químicos y el riego son demasiado costosos o inasequibles. Así mismo, los fitomejoradores pueden contribuir con el desarrollo de las regiones mejorando la producción de aquellas especies o cultivos nativos con mercados potenciales como productos naturaceuticos, frutas exóticas, fibras, resinas etc; poco conocidos en los mercados internacionales.
1.1 Justificación del fitomejoramiento Se puede afirmar con toda certeza que aun hoy en día, el hombre sigue dependiendo directa o indirectamente de las plantas, para su alimentación, vestido, salud, vivienda y sus procesos industriales. Sin embargo el número de especies vegetales que el hombre utiliza en su alimentación es mínima comparada con el gran número de especies existentes en la naturaleza. De las mas de 3000 especies probadas por el hombre, actualmente se usa un poco mas de 100; entre esas 100 hay 20 que suplen sus necesidades fundamentales de sustento, entre las que se destacan, el trigo, arroz, maíz, soya, cebada, sorgo, fríjol y algunos tubérculos como la papa y la yuca. La dependencia de un número tan limitado de cultivos amenaza la seguridad alimentaría de la humanidad. (Valois, 1996). La preocupación del hombre por satisfacer la demanda de alimentos de una cada vez más creciente población mundial, que se estima aumentará en los próximos 25 a 30 años en mas de 2.500 millones de habitantes hasta llegar a los 8.500 millones, requerirá mejorar el rendimiento de los cultivos de manera 13
eficiente y sostenible (FAO. 1996). Esta preocupación ha contribuido a resultados espectaculares en el mejoramiento genético de las plantas, produciendo miles de variantes de las especies cultivadas, incluyendo plantas transgénicas, que se convierten en el mayor patrimonio para la seguridad alimentaría de un país. Los países que realizan investigación en el mejoramiento genético de las plantas, pueden enfrentar de mejor manera los retos del desarrollo socioeconómico de sus diferentes regiones y condiciones de sus agricultores, acortando la brecha con los países industrializados al ser menos dependientes de estos. En Colombia como en muchos países vecinos, el fitomejoramiento fue inicialmente obra de los mismos agricultores, posteriormente paso ser obra de las instituciones del estado como el ICA, de Universidades y de algunas empresas privadas, que en la mayoría de los casos no tomaron en cuenta a los usuarios para la obtención de las plantas mejoradas. Recientemente, en muchos países, los científicos fitomejoradores han reconsiderado su posición e involucran en sus trabajos de una manera u otra, a los agricultores, dentro de lo que ha sido denominado fitomejoramiento participativo (FP). A partir de éste ha sido posible desarrollar variedades que obedecen a las verdaderas condiciones agro-ecológicas, socio económicas, al nivel tecnológico y cultural de los agricultores, generando una agricultura, mas sostenible. Figura 1: Ilustración del proceso de la Investigación Acción Participativa
Fuente: Agronomía mesoamericana 17(3): 291-308. 2006
El fitomejoramiento debe ser considerado como la mejor estrategia para generar: • Ciencia y tecnología 14
• Desarrollo socioeconómico independiente de un país y garantizar su seguridad alimentaría • La conservación de los recursos fitogenéticos
1.2 Objetivos básicos de fitomejoramiento Desde el inicio de la agricultura, hace unos 10.000 años, el fitomejoramiento, ha sido la principal estrategia utilizada por el hombre, para convertir las plantas con algún potencial agrícola e industrial en verdaderos cultivos (domesticación) y posteriormente para mejorar su adaptación y defensa a los diversos factores bióticos y abióticos adversos. Aunque los objetivos del fitomejoramiento pueden variar de acuerdo a la especie, al estado de domesticación o mejoramiento en que está se encuentre y de las condiciones y recursos del agricultor que va utilizar finalmente los materiales mejorados. En términos generales y como consecuencia de la labor del fitomejoramiento, se puede afirmar que el hombre ha logrado producir nuevos cultivares con características tales como: •
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Amplia adaptación ambiental y específica: plantas menos exigentes y mas rusticas para adaptarse a nuevas zonas de cultivo, con las que el agricultor puede tener mas confianza de sembrarlas y tener un buen rendimiento, en aquellas en regiones con problemas de suelo y climas difíciles, sin que sea necesario la aplicación de correctivos al suelo, fertilizantes y riego entre otros. Mayor resistencia o tolerancia a plagas y enfermedades limitantes: Es quizás una de las mas importantes del fitomejoramiento, porque para muchas especies, esta ha sido la única vía para combatir plagas y enfermedades y en la mayoría de los cultivos ha permitido reducir ampliamente los costos de producción tanto como la contaminación ambiental por el no uso de agroquímicos. Mayor rendimiento y producción por unidad de área: Mediante aumento de la eficiencia fisiológica de las plantas, mejor aprovechamiento de los recursos ambientales y de insumos agrícolas y de ciertos caracteres agronómicos. Como ejemplo, en maíz y sorgo, la obtención de variedades mas enanas para evitar el volcamiento; en variedades de soya, la obtención de las primeras vainas a mayor altura del suelo para poder realizar cosecha mecanizada. Mejora de la calidad de los productos agrícolas: A partir del mejoramiento de característica intrínsecas de calidad de cada producto. Algunos ejemplos son en algodón, una fibra mas fuerte y larga; habichuelas sin hebras; manzanas con mejor sabor; tomates con mas vitaminas y trigo con mayor contenido de proteínas.
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Plantas más precoses en su desarrollo, que permiten cosechar el producto en menor tiempo; posibilitando con ello, obtener mas cosechas durante el año y escapar a agentes dañinos para las plantas como plagas y enfermedades presentes en el campo. Mejor competencia frente a malas hierbas y plantas arvenses mediante la obtención de plantas con un crecimiento más rápido en sus fases juveniles, que le permiten superar a las malas hierbas. Materiales desarrollados para las condiciones de agricultores que utilizan bajo nivel tecnológico y/o practican agricultura de subsistencia. Materiales mejorados adecuados para ser sembrados en asocio con otras especies, que toleran y resistente la asociación y la competencia.
Podemos concluir en esta parte, que los programas de mejoramiento de plantas, junto con el fitomejorador y aun los mismos agricultores, identifican y definen las prioridades de mejora de sus cultivares, que les permita ser más competitivos en las condiciones de los mercados a los que van dirigidos sus productos.
1.3 El Fitomejoramiento en Colombia. No se tienen datos precisos sobre el nacimiento del fitomejoramiento en Colombia, por lo que se supone que éste nació en el país con la fundación de las estaciones experimentales del Instituto Colombiano Agropecuario ICA en la década de 1930 a 1940, tales como: el centro de investigaciones de Palmira (Valle del Cauca), Tulio Ospina (Río negro Antioquia), Aracata (Magdalena), Armero (Tolima) y La Picota (Bogotá-C/marca). Posteriormente en el año de 1950 el Gobierno Nacional, bajo la dirección de la Oficina de Investigaciones Especiales del Ministerio de Agricultura, firmo un convenio con la Fundación Rockefeller, que marcó el inicio de las investigaciones sobre fitomejoramiento en el País, iniciando los trabajos de fitomejoramiento regional en maíz, fríjol, trigo, cebada, avena, papa y arroz, que dieron grandes frutos en los subsiguientes años, con la obtención de variedades mejoradas, adaptadas a las condiciones locales, que aumentaron ampliamente los rendimientos de estas especies, colocando a Colombia como un país reconocido por sus programa de fitomejoramiento y de materiales que se han convertido en la base para posteriores investigaciones en otros países. Cuando el Estado fue retirando el apoyo para la investigación al ICA, esta responsabilidad pasó los gremios de productores y entidades privadas, creándose centros de investigación como Cenicafé, Cenicaña, Cenipalma, Cenibanano, La Universidad Nacional de Colombia, Corpoica y empresas semillistas, con investigación de fitomejoramiento para sus cultivos de interés, lo que ha permitido seguir ofreciendo a los agricultores materiales 16
vegetales que cumplen con las mas altas exigencias de los mercados nacionales e internacionales. Gracias a estas nuevas instituciones se continua produciendo variedades e híbridos de maíz, fríjol, yuca, papa, cebada, con Corpoica y Fenalce, Hortalizas con la Universidad Nacional de Colombia Sede Palmira, Café con resistencia a roya por Cenicafé, nuevas variedades de caña de azúcar con mayor produccion por área, en Cenicaña e ICA, nuevas variedades en arroz y yuca por el Centro Internacional de Agricultura Tropical CIAT e ICA entre otras. Los programas nacionales de mejoramiento se orientan principalmente a adaptar el germoplasma que se importa a las condiciones y necesidades locales y a introducir características determinadas (resistencia a las plagas, tolerancia a las sequías), en especial en el caso de cultivos empresariales. El mejoramiento de las variedades locales es una actividad a la que se le ha dado alguna importancia, en el caso de variedades de cultivos de economía campesina lo cual se tipifica en los materiales nativos de maíz y fríjol que se han utilizado para mejoramiento con destino a pequeños productores. El objetivo final de los programas de fitomejoramiento ha sido preponderantemente, aumentar la producción mediante incrementos en rendimiento, no obstante los programas más recientes incluyen resistencia a condiciones de estrés por clima, suelos ácidos, etc. En general, la cantidad y calidad del fitomejoramiento científico que actualmente se lleva a cabo en el país, no cubre completamente ni las necesidades ni los objetivos nacionales en esta área. Los principales obstáculos que se señalan son: •
El empleo de metodologías de fitomejoramiento con énfasis en obtención de híbridos en algunas especies.
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El énfasis en rendimiento/hectárea.
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El enfoque de amplia adaptabilidad para variedades de economía campesina.
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La subutilización del germoplasma local.
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El desconocimiento de las prácticas locales de mejoramiento.
Estos obstáculos se podrían superar razonablemente mediante la utilización de nuevos enfoques de mejoramiento como el de sostenibilidad; el desarrollo 17
de estrategias para el fomento y validación de la agricultura tradicional y la creación y transferencia de tecnologías adecuadas a estos nuevos enfoques. Las variedades obtenidas del mejoramiento de los cultivos en el país se ponen a disposición de los agricultores a través de días de campo e información escrita sobre los materiales; sin embargo, la entrega de semilla básica para la multiplicación de dichas variedades no alcanza mucha difusión entre los pequeños agricultores ya que en muchas oportunidades las variedades producidas no corresponden a sus necesidades. Las variedades derivadas de las actividades nacionales de fitomejoramiento revisten una gran importancia para los agricultores comerciales y son empleadas en menor escala por los pequeños agricultores, quienes utilizan sus propias variedades, más adaptadas a sus sistemas productivos, mientras que son de poco interés para las comunidades indígenas y algunas comunidades locales más aisladas, las cuales dependen casi exclusivamente de sus mismas semillas. En general los agricultores participan muy poco de las actividades de fitomejoramiento y evaluación de variedades. Su participación se limita a la evaluación final de las posibles nuevas variedades, facilitando áreas para las pruebas regionales de rendimiento y multiplicando líneas promisorias en lotes comparativos.
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2. Lección 2. Hechos históricos de la biología y la genética relacionados con el fitomejoramiento. A continuación se relacionan de manera cronológica, una serie de eventos históricos de las ciencias biológicas y la genética que guardan una estrecha relación con el desarrollo del fitomejoramiento.
2.1. Hechos históricos más sobresalientes. • 11.000 años antes de Cristo, el hombre descubre la agricultura e inicia el proceso de domesticación de las plantas y animales. • 1.000 A.A.C. los Babilonios y los Egipcios, producen frutos por fecundación artificial. • 1590. Janssen inventa el microscopio • 1630. W. Harvey, postula que las plantas y los animales se reproducen de manera sexual: esperma y huevo. • 1642. Los Europeos aprenden de los Incas, que la Quinua combate la malaria. • 1665. El Físico Robert Hooke publica sus observaciones de células al microscopio • 1676. El Holandes Anton van Leeuwenhoek, examina al microscopio seres ínfimos nadando en gotas de agua tomada de un lago. Es la primera observación de lo que hoy llamamos protozoarios. Siete años después, él ve microbios 100 veces más pequeños que lo protozoarios a los que llamó bacterias. • 1710. Fairchild, obtiene el primer híbrido artificial. • 1727. Vilmorin, crea la primera compañía de semillas en Francia. • 1735. Linneo, postula la taxonomía binomial de los organismos. • 1761. Kolreuter, descubre la fertilidad de los híbridos interespecíficos • 1809. El naturalista francés Jean-Baptiste de Lamarck propone una hipótesis sobre a evolución de las especies. La teoría de la adaptación directa o de caracteres adquiridos. • 1831. Estudiando partes de las plantas al microscópico, el botánico inglés Robert Brown, descubre el núcleo de las células y concluye que ésta es la parte esencial para la vida. • 1838. El Aleman Mathias Jacob Schleiden, botánico, y Ambrose Hubert chwann fisiólogo, fueron los primeros en afirmar que las células son las unidades básicas de los organismos vivos, que viven para sustentar la planta y para sustentarse y que se encuentran en todas las partes y órganos de los animales y plantas. • 1856. Luis de Vilmorin, Establece la prueba de progenie. • 1858. Surge la Teoría de la Evolución por selección natural, elaborada al mismo tiempo por dos biólogos ingleses, Charles Robert Darwin y Alfred Russel Wallace. 19
• 1865. El monje austriaco Johann Gregory Mendel, formula las leyes de la herencia al descubrir como las características de los padres son transmitidas a sus hijos y que éstas características son codificadas en los genes, que son transmitidos de generación en generación. • 1879. Flemming. Descubrió y definió la mitosis. • 1881. Balbín. Descubre los cromosomas • 1883. Beneden. Descubre que los gametos poseen la mitad del número de cromosomas. • 1883. Schimper. Descubre los cloroplastos. • 1900. Correns, Tschermak y De Vries, redescubren y de manera independiente las Leyes de Mendel. • 1906. Bateson. Propone los términos de “genética”, “alelo”, “homocigoto”, “Heterocigoto”, “F1”, “F2”, “factores epistáticos”. • 1907. El genetista norte americano Thomas Hunt Morgan estudia como las características de la mosca de las frutas son transmitidas a las crías. Postula que esas características pasan de padre a hijo gravadas en pedazos de cromosomas. Mas tarde, esos fragmentos serian llamados genes. • 1910. Kossel. Aisló la Adenina, Guanina, Citosina y Tiamina por hidrólisis a partir de la nucleina. • 1912. Morgan, Sturtevant, Bridges y Muller. Postulan la teoría cromosómica de la herencia. Elaboran el mapa genético de Drosophila. Morgan recibe el premio Nobel en 1933. • 1918. Jones. Crea los híbridos dobles. • 1925. El Ruso Nicolai Ivanovich Vavilov, postula la teoría de los centro de origen las especies: comienza el auge de la agricultura. • 1928. Fred Griffith descubre una molécula hereditaria transmisible entre bacterias • 1931. Stern, Creighton y McClintock. Presentaron la prueba citogenética del crossinng-over sobre el intercambio de la cromátida entre cromosomas homólogos. • 1932. Knoll y Ruska. Descubren el microscopio electrónico. • 1948. Chargaff. Define la composición química del ADN: A/T=1, G/C=1, (A + G)/ (C + T) = 1. • 1944. Oswald Theodore Avery, Colin McLeod y Maclyn McCarty demuestran que el ADN es el material genético (denominado entonces principio transformante). • 1948. Boivin y Vendrely. Postularon el Dogma Central de la biología: la cantidad de ADN es constante en todas las células de un organismo que tenga el mismo número de cromosomas. • 1997. Nace el primer clon de un mamífero adulto bautizado oveja Dolly por su autor el escoces Ian Wilmut, dando un salto gigantesco en relación a la clonación anterior. • 1953. James D. Watson y Francis Crick determinan que la estructura del ADN es una doble hélice. 20
• 1956. Ochoa y Kornberg , realizaron síntesis In Vitro del ADN; descubrieron y aislaron la ADN polimerasa: Premio Nobel 1959. • 1971. Cohen y Boyer. Desarrollaron las primeras tecnologías del ADN recombinante para permitir la transferencia de material genético de un organismo a otro. Nace la ingeniería genética. • 1972. Boulaugh. Recibe el premio Nobel, por ser el artífice de la revolución verde en México. • 1975. Sanger, Couison, Maxam y Gilbert. Desarrollaron técnicas de secuenciación del ADN. Premio nobel en 1980. • 1980. Mullis. Desarrolló la tecnología de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) premio Nobel en 1993. • 1982. Schell y Van Montagu. Producen la primera planta transgénica (tabaco), utilizando como vector el plasmidio Ti de Agrobacterium tumefaciens. • 1982. Se oficializó la primera vacuna animal creada por ADN recombinante y aprobada para la venta en Europa (Colibaciosis). Primer producto farmacéutico (insulina) proveniente de ADN recombinante y aprobado para la venta en USA e Inglaterra. Primer éxito en la transferencia de un gen de una especie animal a otra (ratón transgénico portador del gen de la hormona de crecimiento) • 1983. McClintonck. Recibió el premio Nobel por el descubrimiento de los genes saltarines del maíz. • 1984. Sanford. Desarrollo la biobalística para la transformación de plantas. • 1985. Jefreys. Desarrollo el ADN fingerprinting. • 1985. la oficina de patentes de USA extendió la protección a las plantas transgénicas. • 1987. Se realizan los primeros ensayos de campo USA, con plantas transgénicas (tomates con un gen de resistencia a insectos) • 1989. Francis Collins y Lap-Chee Tsui secuencian un gen humano por primera vez. El gen codifica la proteína CFTR, cuyo defecto causa fibrosis quística. • 1990. Se funda el Proyecto Genoma Humano por parte del Departamento de Energía y los Institutos de la Salud de los Estados Unidos. • 1992. Se inicia la comercialización en USA de los primeros tomates transgénicos. • 1995. El genoma de Haemophilus influenzae es el primer genoma secuenciado de un organismo de vida libre. • 1996. Se da a conocer por primera vez la secuencia completa de un eucariota, la levadura Saccharomyces cerevisiae. • 1997. Wilmut. Anuncia la creación de la oveja Dolly, primer mamífero clonado por científicos del instituto Roslin. • 1998. Se da a conocer por primera vez la secuencia completa de un eucariota pluricelular, el nematodo Caenorhabditis elegans que provocan la tuberculosis y el tifo. 21
• 2001. El Proyecto Genoma Humano y Celera Genomics presentan el primer borrador de la secuencia del genoma humano. • 2003. (14 de abril) Se completa con éxito el Proyecto Genoma Humano con el 99% del genoma secuenciado con una precisión del 99,99% 1. • 2003. El Instituto Roslin, anunció el nacimiento de los primeros niños clonados en el mundo.
2.2 El impacto de la biotecnología en el desarrollo sostenible de la agricultura. Las modernas tecnologías agrupadas en la biotecnología, han planteado nuevos desafíos para la agricultura y sobre todo para la protección del medio ambiente, con posiciones polarizadas. En un extremo están los que hablan solo de los beneficios reales y potenciales de los Organismos Genéticamente Modificados (OGM), omitiendo sus limitaciones y eventuales riegos. En el otro extremo se enfatizan éstos, omitiendo las contribuciones que pueden lograr los OGM al desarrollo científico, técnico y económico, así como a la producción de alimentos y a la salud humana. La preocupación permanente del ser humano de incrementar la productividad de las plantas que parecen llegar en las especies agrícolas mas importantes a sus niveles máximos de producción, por medio de los sistemas tradicionales de mejoramiento vegetal, han hecho que se recurra a la biotecnología para transformar genéticamente a estas plantas, esto es introducir en el genoma original de las plantas, ADN de otra planta o de cualquier otro organismo vegetal o animal, es decir de cualquier ser vivo. Esta tecnología genética hace que sea posible identificar y transferir rasgos deseables como la resistencia al ataque de insectos, algunas formas de tolerancia a herbicidas y algunos atributos nutricionales, que no podrían ser transferidos por métodos de mejora genética convencional. Cualquier planta derivada de un proceso que utilice cualquier tecnología en cuyo genoma se inserte ADN externo (diferente a la especie a la que pertenece dicha planta), es considerada un Organismo Genéticamente Modificado. El término transgénico es también utilizado para referirse a plantas desarrolladas a través de este tipo de tecnologías. El Fitomejoramiento tradicional resalta características en las plantas para su mejor aprovechamiento, involucra principalmente cruzamiento, inspección y pruebas de miles de plantas para identificar aquellas de calidad superior. Los fitomejoradores han usado estos métodos por siglos para mejorar el valor nutricional de las plantas cultivadas, incrementar la tolerancia a plagas, tolerancia a herbicidas y al estrés producido por el ambiente. La tecnología 22
transgénica es otra herramienta disponible para los fitomejoradores, que involucra la incorporación de ADN que no pertenece a la planta a mejorar. A raíz de la problemática generada por los cultivos transgénicos los fitomejoradores han optado por optimizar los métodos de mejora genética convencional, esto es que involucran en la evaluación de colecciones de plantas, plantas regeneradas por cultivos de tejidos o poblaciones desarrolladas a través de variación genética. Estos métodos permiten a los fitomejoradores crear e identificar más rápidamente nuevos rasgos deseados en las plantas cultivadas sin adicionar ADN externo. Más de 1800 variedades de plantas de uso comercial han sido desarrolladas utilizando métodos de mejora genética convencional optimizados. De acuerdo con los estudios recientes de la FAO, la población de los países de América Latina y del Caribe ALC, en los próximos 20 años aumentará de los actuales 490 millones de personas a 680 millones en el año 2025 y para el año 2020 es posible que mas del 30% del consumo de cereales para la alimentación sea importado. La pérdida de suelo para agricultura continua aumentando por la erosión y la degradación continua y puede alcanzar el 30% del área destinada a la agricultura en ALC, mientras el área potencialmente expandible en estos mismos países que puede ser utilizada en agricultura es de tan sólo el 12% según datos de la FAO, con altos costos sobre la biodiversidad. Mientras tanto el aumento en la demanda de comida de los países de ALC para este mismo período es estimado por la FAO en 61%. Los sistemas de producción en la región no son homogéneos, en especial por los diferentes escenarios productivos de los agroecosistemas de sabana, valles interandinos, laderas, zonas húmedas y secas, zonas tropicales de gran diversidad, en las que se requiere de tecnologías apropiadas a los ecosistemas propios y de mucha investigación para evaluar los posibles efectos que puede causar la introducción de materiales vegetales transgénicos, los cuales puedan transmitir algunas de esas modificaciones genéticas a las especies silvestres cercanas causando el rompimiento del equilibrio poblacional en las comunidades bióticas y ecosistemas, la pérdida y el deterioro de los recursos genéticos y la homogenización de los cultivos. Por lo tanto, se requiere desarrollar muchas mediadas de control tanto tecnológicas como legislativas y de conciencia para poder aprovechar plenamente las nuevas biotecnologías de una forma segura para el bienestar socioeconómico de las comunidades, el medio ambiente, la salud humana y los sistemas de producción de las regiones. .
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3. Lección 3. Mecanismos naturales de la multiplicación de las plantas. Uno de los aspectos más importantes de las plantas es su capacidad de auto reproducirse. Una vez que ha cumplido con todo su ciclo metabólico y de crecimiento, inicia el proceso de decrecimiento que llevan al final del periodo de vida de la planta, sin embargo, la especie sobrevive por un periodo de tiempo mayor que el periodo de vida de cualquiera de sus individuos. Esto se logra mediante la producción de nuevos individuos por parte de los individuos de mayor edad antes de que estos mueran. Existen dos modos de reproducción en las plantas: Uno, es la reproducción sexual; esto es, la reproducción de nuevos individuos, en los cuales se combina la información genética de las células diferentes, generalmente provenientes a su vez, de dos padres distintos. En la mayoría de los organismos, estas células son los gametos. En el otro modo de reproducción toma parte solamente un progenitor y se denomina reproducción asexual.
3.1. La reproducción sexual La reproducción sexual, implica la unión de células germinales, es decir la fecundación por fusión de gametos masculinos y femeninos para producir un cigoto, que al desarrollarse formará en las embriófitas un embrión y éste a su vez un nueva planta. Su importancia se debe a que en el cigoto se combinan caracteres paternos y maternos, resultando diferente genéticamente a cada uno de los padres. Esta fecundación está encaminada a la variabilidad genética por recombinación cromosómica, proceso que se realiza en varias etapas. Primero se realiza la meiosis para transformar las células 2n en n que son los gametos. Posteriormente se produce la singamia o unión de gametos n para formar un zigoto 2n, que implica una plasmogamia (unión de citoplasmas) y una cariogamia o fecundación (unión de núcleos). Los gametos suelen ser haploides, n, y de polaridades (sexos) opuestos, además se producen en estructuras especiales llamadas gametangios. Para que ocurra la reproducción sexual primero debe ocurrir la polinización. Por medio de esta, es que la planta lleva el polen hasta los ovulos y por consiguiente tenemos un flujo de genes de una planta a otra. Existen varias formas para que la polinización sea posible, entre estas tenemos a los 24
animales como insectos, aves y murciélagos, transportadores indirectos de polen y que por consiguiente polinizan las flores. En caso de las plantas angiospermas han desarrollado con el paso del tiempo diversas formas de atraer a los polinizadores y asegurar un éxito reproductivo. Por ejemplo, pétalos vistosos, olores atrayentes y recompensa de néctar o polen que proveen alimento de alto contenido energético al polinizador que los consume. Dependiendo del polinizador, la flor a evolucionado de manera diferente: • Plantas polinizadas por insectos - usualmente plantas con pétalos azules, amarillos o blancos con "guías" que pueden verse con luz ultravioleta. Además, suelen tener mucho olor. Esto es así pues los insectos pueden ver bien el rango violeta, azul y amarillo del espectro de luz, pero no el rojo. También ven bien en el rango ultravioleta. Los insectos poseen un olfato bien desarrollado y es por eso que las flores producen mucho olor, aunque necesariamente no agradable. Por ejemplo flores polinizadas por moscas a menudo tienen un olor a carne podrida. • Plantas polinizadas por aves - Usualmente son de color rojo, naranja o amarillo y no tienen olor, pues las aves ven bien en ese rango del espectro y no suelen tener el olfato bien desarrollado. • Plantas polinizadas por murciélagos - estos animales son importantes polinizadores en los trópicos, salen a buscar alimento de noche y no ven bien. Por lo tanto, las flores polinizadas por murciélagos no son coloreadas, siendo blancas o cremas y con un olor fuerte y atrayente, como a fruta fermentada. También los animales han reaccionado produciendo cambios en su cuerpo para maximizar la obtención de la recompensa. Esto se le conoce como coevolución, una relación interdependiente entre la planta y su polinizador que ambos han desarrollado con el tiempo a manera de cambios en las estructuras florales de la planta y en el cuerpo del animal. Ejemplos de estas adaptaciones en los animales son pelos en el cuerpo del animal (abejas, cigarrones) para atrapar polen y picos tubulares en algunas aves (zumbadores) para obtener el néctar de flores con corola tubular. Algunas plantas no usan animales para asegurar la polinización sino que necesitan de viento para estos efectos. Estas plantas por lo general tienen flores pequeñas e inconspicuas (sin pétalos, color o néctar), los estigmas son fimbriados o plumosos y además producen grandes cantidades de polen de tamaño diminuto para ser más fácil su transporte por el viento. Luego de que ocurre la polinización viene el proceso de doble fecundación por el cual se forma la planta embriónica. Esta se encuentra dentro de la semilla que se formó a partir del óvulo dentro de un fruto, que a su vez, se formó a partir del ovario. La semilla además contendrá alimento para ese 25
embrión ya sea almacenado en forma de endospermo o cotiledones, si este fue absorbido por los mismos. Un embrión maduro es funcionalmente una pequeña planta con todas sus partes: una raíz corta (radícula), un tallo corto y una o dos hojas (cotiledones) protegida por el fruto, que además le ayuda en la dispersión. Figura 2 . Esquema de la reproducción sexual de las plantas
Las flores contienen las estructuras necesarias para la reproducción sexual. La parte masculina es el estambre, formado por el filamento y la antera. La parte femenina, el carpelo, incluye el estigma, que recoge el polen; el ovario que contiene el óvulo; y el estilo, un tubo que conecta el estigma con el ovario (A). El polen es producido en la antera (B) y cuando está maduro es liberado (C). Cada grano de polen contiene dos gametos masculinos. Cuando tiene lugar la autopolinización el polen llega al estigma de la misma flor, pero en las plantas con polinización cruzada (la mayoría) el polen es transportado por el aire, el agua, los insectos o pequeños animales hasta una flor distinta. Si el polen alcanza el estigma de una flor de la misma especie, se forma un tubo polínico que crece hacia abajo por el estilo y transporta los gametos masculinos hasta el óvulo (D). Dentro del saco embrionario del óvulo, un gameto masculino fecunda la ovocélula y forma un cigoto que da lugar al embrión. El segundo gameto masculino se une a dos células del saco embrionario llamadas núcleos polares para formar el endospermo nutritivo que rodea el embrión de la semilla (E).
Fuente:
http://html.rincondelvago.com/polinizacion.html
La aparición de la reproducción sexual se produjo a partir del perfeccionamiento de la mitosis y la aparición de la meiosis y ciclo sexual. El origen de la mitosis pudo producirse en los protistas y especialmente en los dinoflagelados ya que su mitosis es "anómala", no hay huso mitótico. Y el origen de la reproducción sexual también pudo haberse dado al mismo tiempo que la mitosis debido a que estos organismos poseen ambos procesos incompletos. Surgió como consecuencia de la ventaja adaptativa que suponía, ya que al haber recombinación cromosómica se incrementa la capacidad de los individuos para explorar y colonizar nuevos hábitats.
3.2. Reproducción asexual. Aunque todas las plantas superiores producen semillas, no siempre éstas son fácilmente germinables, en ocasiones las produce en poca cantidad o 26
muchas veces, las plantas cultivadas fuera de sus zonas de origen ni siquiera llegan a producir semillas. Es en estos casos y cuando se desea obtener gran cantidad de plantas bien desarrolladas y uniformes fenotípicamente en un corto tiempo , se acude a la multiplicación vegetativa o asexual. La reproducción vegetativa consiste en la reproducción de individuos a partir de porciones vegetativas de las plantas, lo que es posible gracias a que muchos de los órganos vegetativos tienen la capacidad de regeneración . Las porciones de tallos tienen la capacidad de formar nuevas raíces y las partes de las raíces pueden generar un nuevo tallo. Las hojas pueden regenerar nuevos tallos y raíces, un tallo y una raíz (o dos tallos). Cuando se les combina de manera adecuada por medio de un injerto, forman una conexión vascular continua. La reproducción vegetativa es un tipo de reproducción asexual, es decir que involucra solamente a un progenitor y no hay fusión de gametos (células sexuales), con lo que se obtienen nuevos individuos genéticamente idénticos al que los originó. Los métodos de multiplicación vegetativa de las plantas son muy variados: algunas usan órganos de almacenamiento especializados conocidos como propágulos, entre los cuales se encuentran: Los rizomas (tallos subterráneos horizontales). Los bulbos (bases de las hojas abultados), Los tubérculos del tallo (tallos subterráneos engrosados). Los tubérculos de raíz (raíces adventicias abultadas) Los cormos (estructuras sólidas del tallo con nudos y entrenudos). Los estolones o sepas, (tallos horizontales rastreros que producen raíces y dan lugar a nuevas plantas). • Los bulbillos, (bulbos pequeños que crecen en el tallo en el lugar de las flores, se caen y crecen como plantas nuevas) • Los brotes propágulos o adventicios (plantas minúsculas que se alinean en los brotes de las hojas antes de caer al suelo y crecer hasta convertirse en plantas adultas. • • • • • •
La reproducción vegetativa también puede llevarse a cabo mediante fragmentación natural o mecánica originando nuevas plantas de cualquier trozo o fragmento de la planta, por ejemplo: •
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División: Este método se lleva a cabo en aquellas plantas que de modo natural emiten proliferaciones con brotes y raíces, separando éstas, las cuales constituirán nuevas plantas Estacas o esquejes: Consiste en separar un fragmento de un vegetal, (tallos, rizomas, cormos, bulbos, hojas o raíces), ayudarle a subsistir y regenerarle en una nueva planta. Acodo: Consiste en provocar la emisión de raíces a partir de una rama y posteriormente separar el fragmento con las nuevas raíces emitidas, convirtiéndose en una nueva planta. 27
Injerto: Es un caso mixto en que una parte obtenida mediante semilla (PATRON) proporciona las raíces, mientras que un fragmento separado de otra planta, unido al anterior (Yema), proporcionará la parte aérea (INJERTO). Cultivo in vitro: Mediante técnicas especializadas de laboratorio se obtienen nuevas plantas de unas pocas células de meristemos, las cuales se cultivan en un medio nutritivo artificial aséptico. Es la última novedad en cuanto a multiplicación de plantas se refiere.
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Figura 3 . Sistemas de reproducción vegetativa.
Fuente: http://www.uc.cl/sw_educ/biologia/bio100/html/portadaMIval10.2.2.html
Otro caso de reproducción vegetativa es la Apomixis; fenómeno de los vegetales superiores donde hay formación asexual de un embrión, sin fecundación. Existen dos vías para la reproducción apomíctica: •
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Embrionía adventícia: Común en los Citrus, se forman embriones a partir de células de la nucela del óvulo. Es común que estos embriones asexuales se produzcan al mismo tiempo que los embriones sexuales (poliembrionía). Técnicas modernas de cultivo in vitro permiten la producción de embriones "somáticos" a partir de células no sexuales. Partenocarpia: el embrión se forma a partir de una célula gamética no reducida. Apogamia: Se forman embriones a partir de una célula vegetativa derivada de una sinérgida del gametofito femenino que no sea la ovocélula. En algunos Olmos (Ulmus sp.). 28
4. Lección 4. Origen de las especies vegetales y su domesticación 4.1 Centro de origen de las especies cultivadas La agricultura moderna se planteo la teoría de que conociendo el centro de origen y el de domesticación de las plantas cultivadas, se puede entender como modificar las plantas de acuerdo con las necesidades actuales y brindarle las condiciones ambientales requeridas para su desarrollo óptimo. Poe ejemplo, si la sandía, originaria de un centro tropical es trasladada a una zona templada como Chile, requerirá de una ubicación en zonas de temperaturas relativamente altas y por un período prolongado para que logre cumplir su ciclo vital sin problemas. Esta preocupación llevo a uno de los mas grandes científicos agrícolas de su época, el director del Instituto de Botánica Aplicada y de Mejoramiento de las Plantas de Leningrado, Nicolai Ivanovich Vavilov (1887 – 1943), a desarrollar la teoría de la existencia de genocentros o centros de origen de las plantas cultivadas. Mediante las observaciones que desarrolló en sus recorridos por todo el mundo, concluyó que “las plantas cultivadas tienen sus centros de origen en regiones en las que muestran actualmente mayor densidad y variabilidad genética, y a partir de los cuales se dispersaron a otras zonas.” Se basó en el principio de que el lugar para la “domesticación” de la planta silvestre tuvo que ser necesariamente su área de distribución natural”. Como resultado de sus investigaciones sobre varios cientos de plantas cultivadas, Vavilov estableció siete centros originarios fundamentales e independientes de las plantas cultivadas en la tierra y que para él tambien fueron probablemente al mismo tiempo los focos del desarrollo independiente de la agricultura mundial. En el continente Asiático, encontró los centros de origen de la mayoría de nuestras actuales plantas cultivadas, diferenciando en este continente tres centros fundamentales de formación de especies. El primero, al Suroeste de Asia, incluyendo el interior de Asia Menor, Persia, Afganistán, Turkestán y la India noroccidental. Allí está el hogar del trigo suave, del centeno, del lino, de la alfalfa, del trébol persa (Trifolium resupinatum L.), de diversos árboles frutales europeos (manzana, pera, Prunus divaricata L., granada, membrillo, (guindas), uvas, y de diversos vegetales. El segundo centro mundial independiente en Asia está localizado en la India propiamente, incluyendo el valle del Ganges, toda la península del Indostán, y las zonas colindantes de Indochina y Siam. Este es el hogar original del arroz, la caña de azúcar, algodones asiáticos, árboles frutales tropicales (por ejemplo, los mangos). 29
El tercer centro asiático está localizado en la montaña central y oriental de China, es el hogar de diversas plantas tales como los peculiares repollos chinos, el rábano, cítricos, el azufaifo (Zizyphus), el caqui, el melocotón, la ciruela china (Prunus Simoni), el té de arbusto y el moral. Es el lugar de nacimiento de varias plantas tropicales y especialmente de plantas subtropicales. El cuarto centro mundial abarca los antiguos países bañados por el Mediterráneo, incluyendo el Pirineo, los Apeninos y las penínsulas Balcánicas, la región costera de Asia Menor, Egipto, y también el territorio de los actuales Marruecos, Argelia, Túnez, Siria y Palestina. A pesar de la enorme importancia histórica y cultural del centro Mediterráneo, que ha dado lugar a las grandes civilizaciones de la antigüedad como fue la Egipcia, la Etrusca, Egea, y antigua Hebrea, este centro, ofrece muy pocos cultivos autóctonos importantes. La agricultura antigua se basa en el olivo, el algarrobo (Ceratonia siliqua L.), y la higuera. La mayoría de los cultivos, tales como trigo, cebada, judías y guisantes han sido tomados obviamente de otros centros. La diversidad de variedades de cultivos es aquí considerablemente más pobre que en los centros principales de los cultivos correspondientes. Sólo una serie de plantas forrajeras tales como Hedysarum coronarium L., la sulla, Ervum ervilia L., el yeros, Lathyrus cicer L. Gorgonia sp., Trifolium alexandrinum L., son originarias de la región mediterránea. El quinto centro mundial se encuentra situado en la montaña oriental de África, principalmente en la montañosa Abisinia, se caracteriza por tener un pequeño número de importantes plantas cultivadas independientes, pero con una extraordinaria variedad de clases. Aquí encontramos la máxima diversidad del mundo, al menos en lo que concierne a las variedades de trigo, cebada, y quizás también del sorgo de grano. Este es el hogar de plantas tales como el teff (Eragrostis abyssinica (Jacq.) LinK.): uno de los cereales más importantes de Abisinia; Níger (Guizotia abyssinica (Lf.) Cass.): una planta oleaginosa original de esta tierra. El lino se distingue por sus pequeñas semillas. A diferencia de los antiguos países del Mediterráneo y del sudoeste de Asia, en Abisinia nace sólo como una planta de pan para obtener su harina. El cultivo de lino para aceite y fibra es todavía desconocido en la primitiva Etiopía. Abisinia es el hogar de la planta de café así como de la cebada utilizada para la elaboración de la cerveza. En América se encuentran dos centros principales: el centro del sur de México incluyendo parte de América Central, y el peruano que incluye Bolivia. El primero es el más importante. Ha dado nacimiento a cultivos tales como el maíz, el algodón del altiplano, el cacao, el agave (henequén), la calabaza tropical, la judía escarlata y la judía común, chiota (Sechium edule Jacq.), papaya, y diversos cultivos indígenas de importancia secundaria. 30
Perú y Bolivia son el hogar de la patata, el árbol de la quina, el arbusto de la coca, así como de una serie de cultivos secundarios. Aquí se han distinguido grupos extraordinariamente polimórficos del maíz suave. Las otras regiones de América Central y del Sur, aunque han dado lugar a diversos cultivos, no son de importancia decisiva para la historia de la agricultura mundial Estos son los siete centros principales del mundo, que han dado lugar a toda la agricultura mundial. Como se puede ver en el mapa siguiente, estos centros ocupan un territorio muy limitado. De acuerdo con nuestras estimaciones el centro de México en Norteamérica ocupa alrededor de 1/40 del territorio total del vasto continente. El centro de Perú ocupa aproximadamente la misma área con relación al continente sudamericano en su totalidad. Figura 4. Ilustración de los Centros de origen de Vavilov.
Fuente: Pascual Trillo, J.A El arca de la biodiversidad. Celeste Ed. 1997 http://www.prodiversitas.bioetica.org/nota63-3.htm
Lo mismo puede decirse de la mayoría de los centros del Viejo Mundo. La diferenciación en los tipos de instrumentos agrícolas corresponde a la diferenciación en los centros primarios de origen de las plantas cultivadas. En las montañas de África oriental, así como en la totalidad del África primitiva, puede observarse incluso hoy en día el cultivo de la tierra con azada. Como han mostrado las investigaciones sobre la agricultura con arado en todo el mundo, los arados de Abisinia, China, Sudoeste de Asia, y de los países del Mediterráneo, son de tipos diferentes.
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La localización geográfica de los centros agrícolas originarios es bastante peculiar. Todos ellos están confinados principalmente en las regiones montañosas tropicales y subtropicales. Los centros del Nuevo Mundo están confinados en los Andes tropicales, los del Viejo Mundo en el Himalaya, el Hindu-Kush, las montañas de África, las regiones montañosas de los países mediterráneos, y las montañas de China. También estos centros de origen y de mayor diversidad biológica están relacionados con los sitios donde hubo mayor desarrollo de la agricultura. Estas áreas coinciden con los asentamientos de las culturas mas avanzadas de la antigüedad, como los Mayas y los Aztecas en México, los Incas en el Perú y los Muiscas en Colombia. En la tabla 1 se presentan los diferentes centros de origen con los diferentes nombres de las especies de plantas cultivadas que allí se originaron. Tabla 1. Centros de origen de plantas cultivadas CENTRO CHINO: Poroto Soya (Glycine max) Rábano (Raphanus sativus) Nabo (Brassica campestris) Pak-Choi (Brassica rapa var. Chinensis) Repollo Chino (Brassica rapa var. Pekinensis) Cebollín (Allium fistulosum) Rakkyo (Allium hínense) Pepino (Cucumis sativus) Yam (Dioscorea batatas) CENTRO INDIO-MALASIO a. Assam y Burma Berenjena (Solanum melongena) Pepino (Cucumis sativus) Poroto mung (Phaseolus aureus) Caupí (Vigna sinensis) Taro (Colocasia sativus) Yam (Dioscorea alata) b. Indochina y archipiélago malayo Banana (Musa paradisiaca) Bread fruit (Artocarpus communis) CENTRO INDO-AFGANISTANO –ASIA CENTRAL Arveja (Pisum sativum) Haba (Vicia faba) Poroto mung (Phaseolus aureus) Mostaza (Brassica juncea) Cebolla (Allium cepa) Ajo (Allium sativum) Espinaca (Spinacia oleracea) Zanahoria (Daucus carota)
F. CENTRO MEDITERRÁNEO Apio (Apium graveolens) Esparrago (Asparagus officinalis) Betarraga (Beta vulgaris) Nabo (Brassica campestris var. rapifera) Repollo (Brassica oleraceae var. capitata) Achicoria (Cichorium intybus) Pastinaca (Pastinaca sativa) Arveja (Pisum sativum) Ruibarbo (Rheum officinale) G. CENTRO MEXICO-AMERICA CENTRAL Pimentón - Ají (Capsicum annuum) Alcayota (Cucurbita ficifolia) Zapallo (Cucurbita moschata) Camote (Ipomoea batatas) Poroto Lima (Phaseolus lunatus) Poroto (Phaseolus vulgaris) Maíz (Zea mays) H. CENTRO SUDAMERICANO a) PerúEcuador-Bolivia Pimentón - Ají (Capsicum annuum) Zapallo (Cucurbita maxima) Tomate (Lycopersicon esculentum) Poroto Lima (Phaseolus lunatus) Poroto Común (Phaseolus vulgaris) Tomatillo (Physalis peruviana) Papa andina (Solanum andigenum) Pepino Fruta (Solanum muricatum) Papa (Solanum tuberosum) (2n = 24) b) Chile Papa (Solanum tuberosum) ( 2n = 48) c) Brasil-Paraguay Mandioca (Manihot esculenta)
CENTRO CERCANO ORIENTE Lenteja (Lens esculenta) Lupino (Lupinus albus) E. CENTRO ABISINIO Okra (Hibiscus esculentus) Berro (Lepidium sativum) Caupí (Vigna sinensis)
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Vavilov reconoció también los centros secundarios de origén, teniendo cuidado de señalar que se encuentran formas vegetales de gran valor lejos de sus centros primarios de origen. Citó por ejemplo el caso de la naranja Washington navel, descubierta en Brasil, mientras que el centro de dispersión del género Citrus se encuentra en el sudeste de Asia. El mismo Vavilov también propuso la “Ley de las series homologas en variación” basado en las propuestas de botánicos anteriores, de que los caracteres que se encuentran en una especie pueden también pertenecer a una especie similar, estos conceptos los expreso Vavilov en términos genéticos. Posteriormente J.R. Harlan en un viaje de exploración a Turquía en 1948, propuso los microcentros de diversidad, al encontrar en pequeñas áreas gran diversidad de plantas que parecían llevar un ritmo más acelerado de evolución que en las otras áreas. Estos microcentros parece que ofrecieron una excelente oportunidad, no sólo para coleccionar nuevos tipos de gran valor, sino también para estudiar la evolución de las plantas de un modo experimental.
4.2. Domesticación de las plantas La agricultura fue un proceso gradual en la producción alimentaría que dio mayor seguridad a la vida de aquellos primeros grupos humanos, afianzó el sedentarismo, facilitó el crecimiento de la población y propició el desarrollo de una vida aldeana con una serie de culturas originales que se apegaron a su propia tradición. De una manera muy rigorosa, se puede decir que la domesticación es el hecho de poner una especie salvaje bajo el cuidado del hombre, en cuanto a plantas se refiere es un método de mejora en el sentido de que proporciona, cuando se hace con éxito, tipos domésticos que son superiores a los que se tenían anteriormente. (Allard. 1967) La domesticación de las plantas alimenticias fue un proceso lento que se realizó a través de muchos milenios y estuvo íntimamente relacionado con la disponibilidad local y regional de los recursos vegetales, así como con la naturaleza de la economía de subsistencia local. El término "domesticación" implica una serie de cambios genéticos en las plantas, los cuales generalmente afectan los mecanismos de dispersión y fertilización, creando una dependencia de la planta a los cuidados del hombre para asegurar su reproducción efectiva. A su vez, "agricultura", implica el establecimiento de un sistema de subsistencia humana, en la cual domina la producción y consumo de alimentos agrícolas. No obstante, muchos de estos productos no son 33
propiamente domesticados sino sólo cultivados. "El cultivo" de plantas no necesariamente implica su domesticación. Es posible cuidar y explotar determinadas especies para asegurar su rendimiento, sin provocar cambios genéticos en ellas y, por lo tanto, sin domesticarlas. A partir del séptimo milenio a.C., se encuentran muchos vestigios de la creciente transformación en las formas de vida de los pobladores prehistóricos. Tales indicios muestran que se había ampliado considerablemente la actividad de recolección de diversas especies de semillas. La conversión de estas semillas en alimentos se puede interpretar por los utensilios que había ya para molerlas o machacarlas: morteros, manos y piedras a modo de primitivos molinos. Entre los más tempranos testimonios del paso a una incipiente domesticación de plantas, es decir, a la agricultura, están los hallazgos en varias cuevas de la sierra de Tamaulipas, como las del Cañón del Infiernillo al norte de México. (6500-5500 a.C.). A partir de entonces se practicaba ya el cultivo del fríjol, el chile y la calabaza. También en Tehuacán, Puebla, hay indicios de que la incipiente agricultura llegó a incluir, hacia 4000 a.C., ciertas variedades de maíz. La primeras civilizaciones que se originaron a orillas del río Tigris y del Eufrates, estuvo centrada alrededor del lugar considerado como la cuna del trigo. La antigua civilización China dependía del arroz. La búsqueda de vegetales alimenticios y de otras plantas útiles condujo a la explotación y descubrimiento de nuevas tierras. Por ejemplo el descubrimiento de América lo motivo el intento de hallar nuevas rutas, que permitieran llegar a las tierras donde crecían las especias. El deseo de poseer nuevas tierras originó continuas luchas entre las naciones por la ocupación de esos lugares donde los vegetales “útiles” se encontraban o podían ser cultivados. Cabe destacar que aún hay conflictos por áreas de importancia florística. Aunque en un principio el hombre llevó a cabo un trabajo de domesticación de las especies útiles para la alimentación, el vestido o medicamentos, posteriormente realizo cruzamientos entre las especies que le permitieron incrementar la producciones y adaptarlas a sitios donde era impensable la siembra de ciertas especies; hoy día los nuevos avances de las modernas ciencias de la biotecnología plantea nuevos retos que permitan aumentar las producciones, minimizando cualquier posible efecto adverso al medio ambiente y a la salud humana y animal.
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CAPITULO 2. BASES DEL FITOMEJORAMIENTO CONVENCIONAL INTRODUCCIÓN. El concepto de gen fue propuesto por primera vez en 1865 por el monje Austriaco Gregory Joham Mendel (1822-1884), porque hasta ese entonces el concepto de la herencia era escaso y se mantenía la idea de que el espermatozoide y el óvulo contenían un conjunto de esencias originales en las distintas partes del organismo parental y que de alguna manera esas esencias se mezclaban a la hora de la concepción para formar el diseño de un nuevo individuo, es decir que la descendencia resultaban características no de una combinación sino de una mezcla de la información de los progenitores. Pero había un problema ya que la herencia no resultaba siempre en la herencia intermedia de los progenitores. Los intentos por demostrar esta teoría, fueron los que llevaron a un mejor entendimiento del mecanismo de la herencia. OBJETIVOS. 1. Comprender las leyes de la herencia 2. Comprender los conceptos de gen, alelo, cromosoma y su relación con el cruzamiento genético y las características de las generaciones filiales. 3. Comprender la influencia del ambiente sobre los mecanismos de la selección natural para alelos dominantes. 4. Identificar claramente las diferencias entre Genotipo y Fenotipo 5. Entender los principios básicos de cruzamiento, herencia ligada al sexo, ligamiento, segregación y variabilidad genética con vistas a la producción de variedades mejoradas de plantas.
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5. Lección 5. Genética Mendeliana. 5.1 Las Leyes de Mendel Como resultado de sus investigaciones con la planta de arveja (guisante), Mendel propone la teoría de la herencia particulada; con la que afirma que los caracteres están determinados por unidades genéticas discretas que se transmiten de forma intacta a través de las generaciones. Los estudios de Mendel sentaron las bases en el sentido de que se centró en un solo carácter, en un solo fenotipo y en un modelo que además tenia varias propiedades que facilitaron explicar muchas de las observaciones que no lo eran por la teoría de la herencia mezclada, siendo muy fructífera en la comprensión del mecanismo de la herencia, tanto que se convirtieron en el prototipo del análisis genético y en los cimientos de una aproximación lógica experimental a la herencia todavía en uso. Mendel inició sus experimentos con plantas puras de arveja, en las cuales identifico siete características distintas y contrastantes, cruzó una variedad de planta que producía semillas amarillas con otra que producía semillas verdes, estas plantas forman la Generación Parental (P). Como resultado de este cruce salieron plantas que producían nada más que semillas amarillas, repitió los cruces con otras plantas de guisante que diferían en otros caracteres y el resultado era el mismo, salía un carácter de los dos en la generación filial. Al carácter que aparecía le llamo Dominante y al que no, Recesivo. En este caso el color amarillo es dominante frente al color verde. Las plantas obtenidas de la Generación Parental se denominan Primera Generación Filial (F1). Para explicarlo, Mendel concibió la idea de unas unidades hereditarias, que en la actualidad llamamos genes, los cuales expresan, a menudo, caracteres dominantes o recesivos. Al formular su primer principio (La ley de la segregación), Mendel planteó que los genes se encuentran agrupados en parejas en las células somáticas y que se segregan durante la formación de las células sexuales (gametos femeninos o masculinos). Cada miembro del par pasa a formar parte de células sexuales distintas. Cuando un gameto femenino y otro masculino se unen, se forma de nuevo una pareja de genes en la que el gen dominante (color amarillo) oculta al gen recesivo (color verde). Para comprobar la existencia de tales unidades hereditarias Mendel dejó que se autofecundaran las plantas de la Primera Generación Filial y obtuvo la 36
Segunda Generación Filial (F2) compuesta por plantas que producían semillas amarillas y plantas que producían semillas verdes en una proporción 3:1 (3 de semillas amarillas y 1 de semillas verdes).Repitió el experimento con otros caracteres diferenciados y obtuvo resultados similares en una proporción 3:1. Dedujo, con acierto, que los genes se agrupan en pares de los tipos AA, Aa, y aa ("A" representa dominante y "a" representa recesivo). Tras posteriores experimentos de cruzamiento, descubrió que cuando se polinizaban entre sí ejemplares AA, se producían solamente plantas de tallo alto, y que cuando los cruces se realizaban entre ejemplares aa, se obtenían sólo plantas de tallo enano. Así mismo, los cruces entre híbridos altos Aa generaban una descendencia de plantas de tallo alto y de tallo enano, en una proporción de tres a uno respectivamente. Más adelante Mendel decidió comprobar si estas leyes funcionaban en plantas diferenciadas en dos o más caracteres, eligió como Generación Parental plantas de semillas amarillas y lisas y plantas de semillas verdes y rugosas. Las cruzó y obtuvo la Primera Generacion Filial compuesta por Plantas de semillas amarillas y lisas, la primera ley se cumplía, en la F1 aparecían los caracteres dominantes (Amarillos y lisos) y no los recesivos ( Verde y rugosos ). Obtuvo la Segunda Generación Filial autofecundando la Primera Generación Filial y obtuvo semillas de todos los estilos posibles, plantas que producían semillas amarillas y lisas, amarillas y rugosas, verdes y lisas y verdes y rugosas, las contó y probó con otras variedades y siempre salían en una proporción 9:3:3:1 ( 9 plantas de semillas amarillas y lisas, 3 de semillas amarillas y rugosas, 3 de semillas verdes y lisas y una planta de semillas verdes y rugosas). Desde entonces, Mendel pudo comprender que las unidades hereditarias no se mezclan entre sí, como creían sus predecesores, sino que permanecen inalterables en el transcurso de las sucesivas generaciones. Apoyándose en esto, Mendel formuló su segundo principio (la Ley de la segregación independiente). En él se afirma que la expresión de un gen, para dar una característica física simple, no está influida, generalmente, por la expresión de otras características. La segunda Ley o principio de la segregación resulta muy importante para el Fitomejoramiento, por que después de realizar un cruce entre dos líneas puras, en la F2 se pueden identificar caracteres que habían quedado enmascarados en la F1 y que pueden resultar provechosos para el mejoramiento y que reafirman características dominadas por genes como unidades independientes que pueden ser pasados de generación en generación. En la figura 5 se representa algunos de los resultados obtenidos por Mendel en sus experimentos con la arveja.
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Figura 5 .Dihibridismo, caso de cruzamiento entre dos líneas puras o natural que difieren en 2 caracteres, segregación encontrada por Gregory Mendel. 9:3:3:1.
Las siete características con que Mendel experimento fueron: • Forma de la semilla. • Color interno de la semilla: amarillo o verde. • Color de la cubierta o tegumento de la semilla: blanco o gris. • Color de la vaina de la semilla inmadura: verde o amarilla. • Forma de la vaina de la semilla madura: Inflada o apretada. • Largo del tallo: corto (23 a 45 cm) o largo (1.50 m a 2 m) • Posición de las flores: axial (a lo largo del tallo) o Terminal (en la extremidad del tallo). El éxito del trabajo de Mendel se debe a: •
Acierto al escoger la especie: especie autogama con la que se puede obtener “individuos puros”, con alta variabilidad, de diferentes colores y formas fáciles de distinguir, de ciclo corto y alta producción de semilla.
•
A la aplicación del método científico, que incluye observar, pensar, analizar y volver a replicar. Observación de los caracteres contrastantes, diseño cuidadoso de los experimentos y utilización del análisis estadístico, para demostrar que los resultados eran coherentes con una hipótesis explicatoria. A partir de la inferencia estadística se da una primera definición de gen y de constitución génica, para llegar a la brillante idea que los caracteres están determinados por pares de genes.
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5.2 El Gen. El termino gen fue propuesto por primara vez por Mendel pero no con este nombre, sino con el termino “Factores”; estos factores eran los responsables de la transmisión de los caracteres de padres a hijos. Fue el danés Wihem L. Johansen quien acuño el termino Gen junto con los de genotipo y fenotipo e hizo clara la distinción entre genes y características de un organismo y que dichas características son el resultado de la acción de los genes. El gen Mendeliano es una unidad de función, estructura, transmisión, mutación y evolución, que se distribuye ordenada y linealmente en los cromosomas. A nivel genético el gen es la unidad básica de la herencia de los seres vivos y es la unidad mínima de función genética, que puede heredarse. A nivel molecular el gen es una secuencia lineal de nucleótidos en la molécula de ADN, que contiene la información necesaria para la síntesis de una macromolécula con función celular específica. Por ejemplo: Proteínas, RNAm, RNA ribosómico, RNA de transferencia y RNA pequeños. Los genes se encuentran en una gran molécula llamada ácido desoxirribonucleico (ADN), la cual esta asociada a una matriz de proteínas formando la cromatina o nucleoproteína y se organiza en estructuras con propiedades de tinción distintivas llamadas cromosomas que se localizan en el núcleo de la célula. La información genética fluye del ADN al ARN y de estos a las proteínas. Cada gen en un cromosoma ocupa una posición definida llamada locus. El ADN es una molécula o polímero de desoxirribonucleótidos de cadena doble, que puede ser circular o lineal, que porta la información genética con capacidad de dirigir su propia replicación y su trascripción a RNA, el cuál a su vez dirige su propia traducción a proteínas. En algunas ocasiones ocurren o pueden ocurrir cambios espontáneos o inducidos en algunas de sus partes, lo que origina una mutación la cual altera el código genético. En la figura 6 se muestra una representación esquemática de la cadena del ADN y su estructura propuesta por Watson y Crick.
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Figura 6. Representación esquemática de la estructura de Watson-Crick del DNA
Fuente: http://www.uc.cl/sw_educ/biologia/bio100/html/portadaMIval4.1.3.1.html
5.3 Los Genes Alelos. Cada carácter particular está controlado o determinado por un par de unidades hereditarias las cuales conocemos como genes. En la terminología actual el termino genes alelos es un par de genes que califican o determinan una característica o carácter y que ocupan el mismo locus en los Cromosomas Homólogos. Estos cromosomas se separan en la Gametogénesis en virtud de un proceso denominado Meiosis de manera independiente y aleatoria. En otra palabras los genes alelos son aquellos que controlan un mismo carácter pero con distinta información; cuando son idénticos se llaman homocigóticos o raza pura, cuando son diferentes son Híbridos. Un gen cualquiera que tenga una determinada forma de calificar un carácter puede cambiar de tal manera que califique de otra forma el mismo carácter, es decir un gen por mutación puede transformarse en un alelo del primero. Si el alelo es disfuncional, y determina para una característica que es crítica para el organismo, no será seleccionado y el individuo que lo porte será inviable, por lo que en este caso, la mutación que dio origen a este alelo es negativa y perjudicial para el individuo. Sin embargo puede darse el caso de que la mutación sea sobre un gen no critico, y que por lo tanto puede dar origen a tantas variantes alélicas como sea posible ya que no hace inviable al individuo, y en este caso la mutación es neutra. Si el gen que es mutado 40
hace más apto al individuo, hay Selección natural y por lo tanto la variante alélica tenderá a mantenerse en la población. El ambiente determina mediante la selección natural que un alelo sea dominante. Un alelo intrínsecamente, por sí solo, no es dominante. Ser dominante no significa que se expresa más, si no que significa que es más útil para la especie y por lo tanto se mantiene a través del tiempo. Si hubiesen cambios ambientales radicales, que hicieran al alelo recesivo más útil para la especie, entonces ese alelo sería seleccionado y pasaría a ser dominante respecto al otro. Entonces quien determina si una mutación es positiva, neutra o negativa, es el ambiente. Figura 7. Ilustración de la ubicación de dos pares de genes alelos y sus loci en 2 cromosomas homólogos hipotéticos diferentes.
Fuente: http://www.uc.cl/sw_educ/biologia/bio100/html/portadaMIval4.1.3.1.html
5.4 Los cromosomas. Los cromosomas son cuerpos coloreados que se observan al interior del núcleo de las células eucarióticas, que en estado de condensación de la cromatina se observan en forma de filamentos y que por lo tanto están constituidos principalmente de los ácidos nucleicos y proteínas. Las proteínas dan soporte, sirven de armazón a los cromosomas, el DNA cumple un papel informativo pues es el que aporta el código genético. En las plantas y animales superiores los cromosomas se encuentran en pares, siendo cada miembro de un par similar en forma y tamaño, cada uno se denomina homologo respecto al otro del par, (figura 8) los dos en conjunto forman un par de cromosomas homólogos y los genes que “empaquetan” 41
uno de ellos, califica las mismas características que los que “empaqueta” el otro y están distribuidos a lo largo de un orden similar, es decir los miembros de un par de genes alelos ocupan una misma posición relativa o locus en el cromosoma homologo. Sin embargo esta igualdad entre los cromosomas homólogos no es absoluta. Cada cromosoma tiene muchos genes distribuidos en un orden lineal único. Cada gen ocupa un lugar determinado o locus dentro de la estructura cromosómica. En cada cromosoma por pequeño que sea se encuentran muchos genes y cada gen está constituido por la secuencia de muchos pares de nucleótidos en la doble hélice de ADN, se estima que entre 100 a 1500 nucleótidos constituyen un gene como unidad funcional. Figura 8. Parejas de cromosomas homólogos, es decir, aquellos que poseen idéntica secuencia de genes alelos que se relacionan con la determinación de los mismos caracteres fenotípicos.
Fuente: http://www.puc.cl/sw_educ/biologia/bio100/html/portadaMIval4.1.3.2.html
5.5 El Genotipo. El genotipo es el contenido genético (el genoma específico) de un individuo, en forma de ADN que posee el núcleo celular o células somáticas. En otras palabras, es el conjunto de genes que cada individuo ha heredado y que se reflejan en un determinado fenotipo o expresión de dichos genes. Este genotipo es esencialmente fijo, permanece constante a lo largo de toda la vida de un individuo y es inmodificable por efectos ambientales. Dependiendo del medio ambiente un genotipo puede producir varios fenotipos diferentes o también varios genotipos pueden producir un solo fenotipo; es el caso de los mangos en que frutos de un mismo árbol producen frutas con colores diferentes, por la colocación dentro del árbol y por el efecto de las antocianinas y carotenóides que se manifiestan cuando la fruta recibe mas directamente los rayos del sol. 42
Toda la variabilidad genética de una especie, que se expresa a través de algunas características visibles en el fenotipo, pueden ser fiel reflejo del genotipo de la especie, como forma de la raíz, del tallo, de la hoja, de las flores, semillas, que describen e identifican la especie y son comunes a todos los individuos de la especie; estos caracteres son altamente heredables, presentan poca variabilidad y son poco influenciadas por el ambiente. Pero en cambio existen otros caracteres que son relevantes en la utilización de especies cultivadas, de tipo cualitativo y/o cuantitativo, como la pigmentación en tallos, raíz, flores, y frutos, arquitectura de la planta, habito de crecimiento, ramificación, macollas, resistencias, que si son afectados por el ambiente y por tanto tienen poco o aceptable heredabilidad. Con la ayuda de aquellos caracteres fijos, poco influenciados por el ambiente, se puede mantener la identidad genética de una especie, lo que es sumamente importante en los procesos de fitomejoramiento. Con la fecundación se unen los gametos, combinando dos conjuntos de genes uno de cada progenitor. Cada gen tiene una posición especifica dentro del un cromosoma que afecta a un carácter particular y está representado por dos copias, una procedente de la madre y otra del padre. Cada copia se localiza en la misma posición sobre cada uno de los cromosomas pares del cigoto. Cuando las copias son idénticas se dice que el individuo es homocigoto para aquel gen en particular y cuando son diferentes, es decir cuando cada progenitor ha aportado una forma distinta de alelo del mismo gen, el individuo es heterocigoto para dicho gen. La forma de determinar el genotipo es a través de experimentos de reproducción o descendencia y no simplemente mediante el examen del fenotipo de un organismo. Figura 9. Formas de determinar el genotipo en plantas.
5.6 Fenotipo El fenotipo es la manifestación visible del genotipo en un determinado ambiente, por lo tanto esta determinado fundamentalmente por el genotipo o por la identidad de los alelos, los cuales, individualmente, cargan una o más 43
posiciones en los cromosomas. Algunos fenotipos están determinados por los múltiples genes y además influenciados por factores del medio. De esta manera, la identidad de uno o de unos pocos alelos conocidos, no siempre permite una predicción del fenotipo. En este sentido, la interacción entre el genotipo y el fenotipo ha sido descrita usando siguiente ecuación: Fenotipo = Genotipo + Ambiente En conclusión, el fenotipo es la apariencia final física o externa de un individuo (estructural, bioquímica, fisiológica o conductual) que resulta de una interacción entre su genotipo y el medio ambiente en el que se desarrolla. La relación entre el fenotipo y el genotipo es compleja, en donde entran en juego las relaciones entre alelos dentro de un gen (las relaciones de dominancia) y las interacciones entre genes. Éstas no vienen determinadas únicamente por el estado de los genes sino también por la secuencia de ambientes por la que pasa cada genotipo durante su desarrollo. La descripción del fenotipo de un individuo tiene pues, una dimensión temporal. Un ejemplo es la flor Bella de día (Bella matutina) que da color rojo o rosado en el día y en la noche cambia a color blanco los pétalos, debido a la temperatura alta en el día y bajas en la noche y la incidencia de la luz solar por la que se concentran las antocianinas en sus pétalos, cambiando su fenotipo transitoriamente sin que se afecte su composición genética. En el proceso de selección de mejores materiales, el fitomejorador puede dejarse engañar si solo identifica los mejores padres por su fenotipo, ya que estos puede ser el producto de los efectos del ambiente y no del verdadero potencial genético de los individuos, por lo tanto los mejores padres no son los que tienen un buen fenotipo, si no aquellos que pueden transmitir los genes buenos a su descendencia. Figura 10. Caracteres fenotípicos trabajados por Gregorio Mendel en arveja.
Fuente: http://www.plataforma.uchile.cl/fg/semestre2/_2004/biotec/modulo1/clase2/img/html/08.htm
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6. LECCIÓN 6. CRUZAMIENTOS Y SEGREGACIÓN 6.1.
Cruzamientos
El cruzamiento en las plantas se realiza mediante la reproducción sexual de dos individuos diferentes, dando como resultado una descendencia que hereda parte del material genético de cada progenitor. Los organismos parientes deben ser genéticamente compatibles y pueden ser de variedades diferentes o de especies muy cercanas. El cruzamiento originalmente se da bajo polinización cruzada natural entre plantas cuya constitución genética es diferente. El cruzamiento en las plantas, como en los animales, se da como una forma de evitar la endogamia y aumentar al máximo la diversidad genética y las oportunidades asociadas para la supervivencia. El cruzamiento entre variedades o entre especies relativamente distantes es un método muy utilizado en el mejoramiento de la productividad de las plantas. Para ello fue necesario conocer la forma como se heredaban las características de los progenitores e identificar las caracteres deseables. El cruzamiento tiene entonces como objetivos: combinar alelos, introducir alelos, seleccionar alelos en la obtención de materiales o líneas mejoradas. Mendel fue el primero que estudió la herencia, iniciando con la forma de la semilla de la arveja. Él cruzó una raza pura de plantas de semillas lisas con una raza pura de otra que siempre producía semillas rugosas (60 fertilizaciones en 15 plantas). Todas las semillas resultantes resultaron lisas. A éste fenómeno se le llamó Cruzamiento de un solo carácter o monohibridación. Al año siguiente, Mendel plantó esas semillas y permitió que las mismas se auto fecundasen. Recogió 7324 semillas en total: 5474 lisas y 1850 rugosas. Para sistematizar el registro de datos, las generaciones fueron nombradas y numeradas. La generación parental se denomina como P. Los descendientes de la generación P son la generación F1 (la primera filial). La autofecundación de la generación de F1 produce la generación F2 (la segunda filial). P1. Lisa X Rugosa F1 Todas lisas F2. 5474 lisas y 1850 rugosas Lo mismo sucedió con cada par de caracteres elegidos: cuando cepas puras de plantas con semillas amarillas se cruzaron con razas puras de plantas con 45
semillas verdes, todos los descendientes fueron plantas con semillas amarillas. Los padres del entrecruzamiento son la generación P1, y los descendientes representan la generación F1.
6.2 SEGREGACIÓN. El término segregar hace referencia a apartar, separar una cosa de otra. Genéticamente segregación es cromosomas homólogos (y genes) de los diferentes meiosis. La segregación se hace evidente en la F2 posteriores de una cruza.
a alguien de algo o la separación de progenitores en la o en generaciones
Cuando los miembros de la generación F1 se entrecruzaron, Mendel recobro muchos descendientes con semillas amarillas, y algunos de semillas verdes. Luego del análisis estadístico de la generación F2, Mendel determinó que la relación entre plantas con semillas amarillas/verdes era 3:1. Las plantas con semillas verdes no aparecían en la primera generación F1, y se encontraban en la segunda F2 y sucesivas generaciones. (Figura 11). Mendel concluyó que el carácter estudiado estaba gobernado por factores discretos (separables) y que el rasgo del carácter que aparece en la F1 es el dominante. Los factores se heredaban a pares, teniendo cada generación un par de los mismos. Actualmente nos referimos a esos factores como alelos. El hecho de que los caracteres se hereden de a pares permiten explicar el fenómeno observado del "salto" de una generación. Figura 11. Cruzamiento monohíbrido entre semillas amarillas (dominantes) y verdes (recesivo).
Los caracteres dominantes fueron definidos por Mendel como aquellos que aparecen en la primera generación ( F1) en los entrecruzamientos entre dos 46
especies puras. Las letras mayúsculas se usan generalmente como notación para los caracteres dominantes. Los caracteres recesivos son los que "saltan" una generación y se observan únicamente cuando el carácter dominante esta ausente. Las letras minúsculas se usan generalmente como notación para los caracteres recesivos. Las plantas de Mendel exhibían dominancia completa, en las cuales las expresiones fenotípicas de los alelos eran dominantes o recesivas, sin "caracteres intermedios". Mendel entendió que era necesario realizar su experimento en una situación mas compleja y realizó experimentos siguiendo dos caracteres de las semillas, cruzamiento Dihíbrido: forma y color. La generación F2 resultante no muestra la característica relación fenotípica 3:1 dominante: recesivo. Los dos caracteres, si consideramos que se heredan independientemente, "calzan" dentro del principio de la segregación. En vez de los 4 posibles genotipos de un monohibrido, el cruzamiento dihibrido tiene 16 posibles genotipos así: Cruzamientos con dos caracteres Las semillas lisas (S) son dominantes respecto a la semillas arrugadas (s). El color amarillo (Y) es dominante sobre el verde (y). Mendel partió de cepas puras que tenían plantas con semillas lisas y amarillas, y las cruzó con cepas puras de plantas con semillas verdes y arrugadas. Todas las semillas de la generación F1 tenían semillas lisas y amarillas. Las plantas de la generación F2 se obtuvieron por autofertilización, y produjeron cuatro fenotipos: 315 lisas y amarillas 108 lisas verdes 101 arrugadas amarillas 32 arrugadas verdes Mendel analizó cada carácter por separado como si fuera que el otro carácter no estuviera presente. la relación 3:1 se veía separadamente y estaba de acuerdo con el Principio de Segregación. La segregación de los alelos S y s debían haber ocurrido independientemente de la separación de los alelos Yey. La probabilidad de que un gameto tenga Y es 1/2; la probabilidad de cualquier gameto detener S es 1/2.
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La probabilidad de que un gameto contenga ambos Y y S se calcula por el producto de las probabilidades individuales (o 1/2 X 1/2 = 1/4). La probabilidad de que dos gametos formen cualquier mezcla de estos alelos en su genotipo 1/4 X 1/4 (recuerde el producto de las probabilidades individuales). Por lo tanto, existen 16 posibilidades y el cuadro de Punnett tiene 16 casillas. Dado que hay mas posibilidades de combinaciones que producen el fenotipo liso y amarillo (SSYY, SsYy, SsYY, y SSYy), este fenotipo es mas común en la F2. De los resultados de su segundo experimento, Mendel formuló el Principio de la distribución independiente, esto es, cuando se forman los gametos, los alelos de un gen para una característica dada se separan (segregan) independientemente de un alelo para otra característica . Si los caracteres se separan independientemente unos de otros durante la formación de los gametos, puede entenderse el resultado de un entrecruzaminto dihíbrido. Figura 12. Cruzamiento Dihíbrido en un cuadro de Punnett.
Fuente: http://www.efn.uncor.edu/dep/biologia/intrbiol/genet1.htm#contenido
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7. Lección 7. Carácter, heredabilidad y variabilidad genética. 7.1 El carácter. El carácter es la expresión fenotípica detectable de la acción de uno o más genes en un individuo, por lo tanto varios genes pueden intervenir en la manifestación de un carácter. Este hecho determina que ese carácter aparezca en muchas formas fenotípicas diferentes, que pueden ser la expresión de la variabilidad de una especie y que permiten su identificación. Por tanto, desde el punto de vista de su expresión, la variabilidad contenida en el genoma de una especie puede ser agrupada en dos grandes clases: (1) la que se expresa en características visibles y que conforman el fenotipo, y (2) la que no se expresa en características visibles y que en general se refiere a los procesos o productos internos de la planta: el genotipo. Los caracteres o característica morfológicas y agronómicas de interés directo para los fitomejoradores y agrónomos, como producción de semilla, resistencia a factores bióticos a abióticos, precocidad, calidad, etc; es decir, caracteres de baja y alta heredabilidad medidos a través del fenotipo, presentan la desventaja de que su expresión está fuertemente influenciada por las condiciones ambientales y que además no toda la variación genética está expresada en el fenotipo, por tanto la identificación de los genotipos superiores no es una tarea fácil para el fitomejorador ya que el efecto de la variabilidad ambiental puede debilitar la asociación entre genotipo y fenotipo. Las formas fenotípicas pueden mostrar una variación discontinua o continua. La variación discontinua se aprecia en aquellos caracteres que pueden cambiar cualitativamente; tal es el caso de los caracteres que usó Mendel, como la presencia o ausencia de cierta condición, por ejemplo tener semillas verdes o amarillas por un lado, o arrugadas o lisas por el otro. El estudio de estas características, como el de todas aquellas que el fitomejorador estudia, se lleva a cabo cruzando individuos que tienen una condición diferente en ellas. Por ejemplo, cruzar plantas altas con bajas, se puede realizar una clasificación exacta en dos categorías. Alta y baja, por una simple estimación visual de la altura, se puede continuar efectuando el análisis por fáciles procedimientos genéticos, llegando al resultado de que el alto es dominante sobre el bajo. La expresión fenotípica monogénica o cualitativa, es decir aquella en la que unos pocos genes tienen un efecto grande sobre la expresión del carácter, es poco influida (no lo es en absoluto) por el ambiente, por ejemplo una planta de maíz portadora del gen opaco, mantendrá siempre este carácter así se siembre en ambientes diferentes. En caracteres de este tipo, se puede afirmar que el fenotipo (F) representa con precisión el genotipo (G): Para carácter cualitativo: F ≅ G 49
La variación continua puede ser estudiada de manera precisa mediante mediciones tales como longitud, tiempo, peso o proporción, por lo que se les llama caracteres cuantitativos o métricos. Cuando se examina con cuidado la variación dentro de los grupos alto y bajo, se encontrará varios grados intermedios entre los mas bajos y entre los mas altos, siendo la frecuencia de la altura media la de mayor valor y disminuyendo hacia los extremos. Muchos de los caracteres de importancia agrícola son de variación continua, es decir con caracteres en los que no existen unas diferencias que se puedan distinguir fácilmente. Estas características están determinadas por múltiples genes y a su estudio se le llama estudio de la herencia cuantitativa. La herencia Cuantitativa o poligénica como ya se dijo, es controlada por muchos genes los cuales, cada uno, tiene un efecto pequeño sobre la expresión final del carácter y en ella el ambiente ejerce generalmente una gran influencia en la expresión del carácter, es decir, en el fenotipo; en otras palabras el ambiente puede modificar la expresión del genotipo, como por ejemplo al altura de la planta, la cantidad de produccion, la calidad del grano. Este efecto se puede generalizar en la siguiente expresión: Para un carácter cuantitativo: F ≅ G + A Los procesos de caracterización y evaluación permiten conocer la variabilidad genética de las especies e identificar características de importancia económica para ser utilizados en programas de mejoramiento genético. Así mismo permite tener información segura sobre la base genética de la especie o de los caracteres de interés, con las que se puede seleccionar genotipos únicos que satisfagan las exigencias del fitomejorador o para obtener poblaciones mejoradas constituidas de una mezcla de buenos genotipos. En las investigaciones de fitomejoramiento se evalúan, con frecuencia, los genotipos en distintos ambientes, aparece entonces, un nuevo elemento que sirve para definir un fenotipo determinado en un ambiente especifico: la interacción entre el genotipo y el ambiente (G x A). Para carácter cuantitativo medido en muchos ambientes: F ≅ G+A+(GxA) La búsqueda de los buenos genotipos puede resultar fácil o complicada, dependiendo del número total de genotipos presentes en una población o de si el carácter es controlado por uno o muchos genes, lo cual determina que el genotipo sea fácilmente diferenciable de los demás. Por ejemplo, no es un problema distinguir entre un planta de maíz de grano blanco de otra de grano de color amarillo; pero si puede resultar un poco mas difícil identificar los individuos que contienen los alelos mas favorables para la producción de 50
mayor cantidad de grano de maíz, carácter este, que puede estar controlado por muchos genes; por tanto el efecto de cada gen es muy pequeña, en la expresión del carácter, lo cual imposibilita la distinción genotípica a través del fenotipo. En el siguiente ejemplo tomado de Vallejo y Estrada (1992), se puede apreciar el efecto de caracteres poligénicos. En plantas de maíz la producción por planta puede variar entre 0 y 100 gramos. Las plantas no productivas (0 grs.) serán aquellas cuyos genotípos contienen todos los alelos desfavorables para la producción y los que producen 100 grs. , los portadores de todos los alelos favorables. (como ejemplo didáctico, no se considera el mínimo fisiológico). Suponiendo que la producción fuese controlada, por un par de alelos (sin dominancia), podríamos imaginar que los tres genotípos tendrían las siguientes producciones: • • •
Planta aa = 0 gramos. Planta Aa = 500 gramos Planta AA = 100 gramos
En este caso es fácil detectar el genotipo deseado (AA), porque la diferencia entre los genotipos es muy grande. Se sabe que este carácter tiene una base genética más compleja, entonces admitiendo que hay dos locis con dos alelos cada uno, tendríamos 9 genotipos. Con este mismo raciocinio se puede construir la siguiente tabla (admitiendo que no hay dominancia y que cada genotipo tiene expresión propia): Tabla 2. Diferencias fenotípicas entre genotipos No. de loci que controla el carácter 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 15 20
Plantas con producción Mínima (0 grs.)
Máxima (1000 grs.)
Aa Aabb Aabbcc Aabbccdd ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
AA AABB AABBCC AABBCCDD ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
No. de genotipos diferentes 3 9 27 81 243 729 2187 6551 19683 59.049 6 14,35x10 9 3,49x10
Diferencia entre las producciones de los genotipos (grs.). 500 125 38,46 12,50 4,13 1,37 0,46 0,15 0,051 0,017 -8 7x10 -10 2,9x10
Fuente: Vallejo y Estrada (1992).
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En la anterior tabla se puede observar que para un número relativamente bajo de locis (7, 8, 9, 10, .... 15) las diferencias entre genotipo ya son ínfimas a punto de no poder ser detectadas experimentalmente. Con 10 locis, por ejemplo las diferencias entre las expresiones de los fenotipos serían del orden de 0,017 gramos, valor muy pequeño para ser detectado en balanzas de campo. Si se asume que existe dominancia en todos los loci, tendríamos 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, .....2 r clases fenotípicas para 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, .... n loci. Para 10 loci tendríamos 1024 clases fenotípicas lo que da una diferencia de menos de un gramo entre las expresiones fenotípicas. Por lo tanto en los caracteres controlados por muchos genes, las diferencias entre las expresiones fenotípicas de los genotipos son muy pequeñas y difíciles de distinguir los genotipos experimentalmente a través de medidas de sus genotipos. Según Allard (1967). La diferencia entre caracteres cuantitativos y cualitativos depende tanto de la extensión del efecto de genes individuales como de la importancia relativa de la herencia y el medio en la producción del fenotipo final. El problema de si cierta característica es hereditable o ambiental no tiene ningún significado. Los genes no pueden hacer que se desarrolle un carácter si no se tiene el medio adecuado, y al contrario, ninguna manipulación del medio hará que se desarrolle cierta característica si no están presentes los genes necesarios. A pesar de ello la variabilidad observada en algunos caracteres es debida principalmente a diferencias entre genes que llevan los diferentes individuos de una especie y que la observada en otros se debe a todas las diferencias en los medios en los cuales se han sembrado.
7.2 Heredabilidad. El grado de asociación entre el genotipo y el fenotipo se mide por un parámetro llamado heredabilidad, el cual mide o especifica la proporción de la variabilidad total que es debida a causas genéticas o la proporción de la varianza genética a la varianza total. Existen distintas formas de calcular la heredabilidad, la utilidad y la veracidad de los resultados dependen en gran medida, del procedimiento usado para estimarla. h2 = σ2G / σ2F En donde: h2 es la heredabilidad; σG2 es la varianza genética y varianza fenotípica debida al ambiente.
σF2 es la
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La anterior ecuación corresponde a la llamada heredabilidad en sentido amplio porque tiene en el numerador una variancia que agrupa todos los factores genéticos que afectan la expresión de un determinado carácter (σ2G). Existe otro tipo de heredabilidad denominada en sentido estricto, en la que el numerador contiene sólo una fracción de la variación de origen genético: la variancia aditiva; esta variancia, es la que más interesa al fitomejorador por su importancia práctica: Ceballos (2002). h2 = σ2A / σ2F Cuanto mayor sea la heredabilidad (cuyo rango de variación, expresado como porcentaje va de 0 a 100%), el fenotipo reflejara con mas fidelidad al genotipo. una heredabilidad cercana a100% garantiza que los fenotipos seleccionados son en realidad genéticamente superiores. Una heredabilidad baja, digamos un 20%, implica que hay poca certeza de que se ha seleccionado a los mejores genotipos. Por tanto, gran parte del trabajo del fitomejorador consiste en asegurarse de que sus evaluaciones le permitan identificar, con la mayor precisión posible, los genotipos superiores, lo cual equivale a aumentar la heredabilidad del carácter genético en que se está trabajando. La heredabilidad depende, entonces, de dos aspectos: la naturaleza del carácter genético y del trabajo del fitomejorador. Ceballos (2005). Hay que aclarar, ante todo, que la heredabilidad se atribuye específicamente a la población de referencia en la que se midió y se mide o calcula para las condiciones ambientales en que se realizó la evaluación.
7.3 La variabilidad genética. Como sucede con todos los organismos vivos que se desarrollan en condiciones naturales, la población de individuos que conforman una especie vegetal están bajo una continua interacción dinámica de adaptación con los factores en los que crece esa población. Dichos factores son los bióticos (microorganismos, otras especies vegetales, animales inferiores y superiores) y los abióticos (clima y suelo), para ello, cada especie adapta la información contenida en el genoma de acuerdo con las necesidades de sobrevivir en su entorno. El resultado de esta interacción adaptativa se traduce en la acumulación de la información genética que a manera de variantes, cada especie va guardando entre los miembros de su población y que se va transmitiendo en las subsiguientes generaciones a través del tiempo. De esta manera, aunque la población de individuos en una especie comparte características comunes y se pueden cruzar entre ellos, también es cierto que en cada uno existen muchas variantes individuales. La suma de todos los individuos con sus respectivas variantes es lo que se conoce como variabilidad genética de una especie, la cual permite a dicha especie adaptarse a los cambios que se pueden presentar en su entorno. (Hidalgo 2003). 53
Según Hidalgo (2003). La información genética de la variabilidad de una especie, se conserva y transmite por generaciones a través de los miembros de la población de la especie. Aunque dicha información se mantiene mediante una dinámica continua entre los miembros de la especie, la expresión de esa variabilidad puede o no manifestarse en caracteres visibles. La variabilidad que se expresa en caracteres visibles se denomina fenotípica y dentro de ella se encuentran las características botánicas-taxonómicas, las morfoagronómicas y las evaluativas como respuesta a factores bióticos y abióticos. La variabilidad que no se expresa en características requiere para su identificación el uso de técnicas especiales de laboratorio que en la actualidad se refieren principalmente a marcadores moleculares basados en proteínas o isoenzimas y fragmentos de ADN. Es decir con los marcadores moleculares (RFLP’s, RAPD’s, AFLP’s, SSR’s o Microsatélites) que presentan una mayor objetividad debido a que son secuencias de ADN fragmentado. La variabilidad es más evidente en las especies vegetales cultivadas, porque adicionalmente a las presiones del medio, han sufrido la selección ejercida por el hombre para adaptarlas a sus propósitos. Existen numerosos tratados en los que se discute cómo se ha producido y aún se produce la variabilidad de las especies vegetales. Sin embargo, para los propósitos prácticos de este modulo, las fuentes de variabilidad para las especies de plantas cultivadas se pueden resumir en las categorías siguientes: •
Variabilidad Evolutiva: Se refiere a la variabilidad producida durante los procesos evolutivos de especiación por los que haya pasado una especie, principalmente durante las etapas de aislamiento reproductivo, así como a la dinámica que la especie ha tenido y sigue teniendo en condiciones naturales. En este aspecto Ford-Lloyd y Jackson (1986), citados por Hidalgo (2003) consideran que los patrones de diversidad genética de las plantas cultivadas resultan de la interacción de los factores principales siguientes: mutación, migración, recombinación, selección (natural y artificial) y deriva genética. Los tres primeros estimulan la producción de nueva variabilidad, mientras que los dos restantes pueden reducirla. En esta interacción entra a jugar un papel relevante la biología reproductiva autogama o alógama, con sus variantes que desarrolle la especie esperando, por lo general, una mayor variabilidad en las alógamas que en las autógamas.
•
Variabilidad Geográfica: Esta fuente de variabilidad es importante para un buen número de especies cultivadas que tienen un amplio rango de distribución geográfica, porque además de su dispersión natural, han sufrido una extensa dispersión artificial por acción del hombre. En ambos casos, al llegar a un nuevo nicho ecológico empiezan un nuevo proceso 54
evolutivo en el cual crean variantes genéticas de adaptación como respuesta a variaciones en los componentes ambientales. Una vez más entran a jugar los factores principales mencionados en la variabilidad evolutiva. En términos generales, se espera que a mayor rango de dispersión geográfica de una especie vegetal, ocurra una mayor variabilidad. •
Variabilidad por Domesticación: Durante el proceso de domesticación de las especies cultivadas el hombre ha ejercido una fuerte presión de selección que ha permitido la preservación de muchas variantes las cuales, posiblemente, hubieran desaparecido en condiciones naturales. De la misma manera, el hombre también indujo la producción de nuevas variantes, tanto para facilitar el manejo agronómico como para incrementar la producción. Este fenómeno se puede encontrar en todas las especies cultivadas, especialmente en las altamente domesticadas como los cereales (trigo, maíz, arroz), papa, fríjol y otras. En el proceso de domesticación se pueden identificar dos etapas distintas de presión de selección del hombre con el objeto de preservar o producir variabilidad: (1) La domesticación que abarca todo el proceso de selección empírica mediante el cual el hombre fue adaptando las especies para suplir sus necesidades básicas en alimentación, vestido, salud e industria. Esto fue posible mediante la selección y conservación de variantes útiles que aparecían en las poblaciones en un proceso que para la mayoría de las especies cultivadas tuvo una duración superior a 10,000 años. (2) El descubrimiento de la genética que proporcionó una vía alterna a la naturaleza permitiéndole ampliar su variabilidad en el corto tiempo. Por otra parte, desde el comienzo del siglo XX, es decir hace aproximadamente 100 años, genetistas y mejoradores han estado produciendo nuevas variantes genéticas mediante infinidad de cruzamientos en la búsqueda de solucionar problemas de producción y aquellos ocasionados por plagas y enfermedades en las especies cultivadas. Hidalgo (2003)
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8. Lección 8. Cruzamiento polihíbrido El cruzamiento polihíbrido es el cruce en el que se involucran dos progenitores que exhiben formas alternadas de mas de tres características reguladas por tres o mas genes alelos independientes; por tanto un polihíbrido es un individuo heterocigoto para n loci, es decir, un individuo cuyo genotipo contiene dos alelos distintos en cada locus. Si los loci en estudio son bialélicos (por ejemplo: A,a ; B, b ; ... N,n) el genotipo polihíbrido es AaBb...Nn. Los polihíbridos producen tantos tipos de gametos distintos como combinaciones diferentes de n alelos, uno por locus, se pueden formar, es decir 2n. En nuestro ejemplo, el polihíbrido producirá gametos: ABC...N, ABC...n,... AbC...N, etc., etc. hasta abc...n. Como los alelos se reparten al azar entre los gametos (ley de la segregación independiente) para cada locus X,x la mitad de los gametos serán de "tipo X" y la otra mitad de "tipo x". Por otra parte, como los alelos se combinan independientemente, los alelos A y a se combinan con los alelos B y b con la misma probabilidad y estas combinaciones, a su vez, se combinan con los alelos C y c con la misma probabilidad. Es decir, los 2n tipos de alelos se formarán con la misma frecuencia (1/2n) Si cruzamos dos polihíbridos (o autofecundamos un polihíbrido) obtendremos una descendencia en la que, si es lo suficientemente grande, aparecerán todos los genotipos que se pueden formar al juntar al azar dos gametos, uno procedente del padre y otro de la madre. Tabla 3. Tabla de Punnett que esquematiza la segregación de un trihíbrido AaBbCc
Fuente: http://www.ucm.es/info/genetica/grupod/mendelismo/Mendelismo_Polihibrido.htm
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Por tanto, en la descendencia del cruzamiento polihíbrido aparecen 3n = 27 genotipos diferentes que resultan de las combinaciones de (AA, Aa y aa) con (BB, Bb , cc) .... y (NN, Nn, nn) y cuyas frecuencias siguen la segregación que se deduce del producto cartesiano de {1 AA : 2 Aa : 1 aa} x {1 BB : 2 Bb : 1 bb} x... x {1 NN : 2 Nn : 1 nn} En el caso del trihíbrido, la segregación será: 1 AABBCC : 2 AABBCc : 1 AABBcc : 2 AABbCC : 4 AABbCc : 2 AABbc: 1 AAbbCC : 2 AAbbCc : 1 AAbbcc : 2 AaBBCC : 4 AaBBCc : 2 AaBBcc : 4 AaBbCC : 8 AaBbCc : 4 AaBbcc : 2 AabbCC : 4 AabbCc : 2 Aabbcc : 1 aaBBCC : 2 aaBBCc : 1 aaBBcc : 2 aaBbCC : 4 aaBbCc : 2 aaBbcc 1aabbCC : 2 aabbCc : 1 aabbcc Cuando hay dominancia completa de alguno de los dos alelos en alguno de los loci, en ese locus, el heterocigoto es igual al homocigoto para el alelo dominante; por tanto, en la descendencia anterior sólo existen dieciocho, doce u ocho fenotipos dependiendo de que exista dominancia completa en uno, dos o tres loci, respectivamente. En la tabla 4 se indica la segregación fenotípica de la descendencia y su correspondencia con la segregación genotípica en el caso en que existe dominancia completa en los tres loci. Tabla 4. Segregación fenotípica y genotípica de la desdendencia para dominancia completa en los tres loci.
En resumen, en el cruzamiento trihíbrido, si consideramos tres loci con dominancia completa, intervienen 8 tipos de gametos que, al unirse dan lugar a 27 genotipos distintos en los que se distinguen 8 fenotipos y en el caso general del polihíbrido, si todos los genes muestran dominancia completa, estarán involucrados 2n tipos de gametos que, al unirse dan lugar a 3n genotipos distintos en los que se distinguen 2n fenotipos . En el caso general de un cruce entre individuos heterocigotos para n loci bialélicos (n = 1, 2,... n) el número de gametos implicados será igual a 2n y 57
sus frecuencias, por la primera y la segunda ley de Mendel, se pueden calcular como: (½ )n Tabla 5. Segregación de las combinaciones genéticas totales y diferentes de gametos heterocigotos. No. de Genes
No. de Gametos
Combinaciones genéticas totales F2
Combinaciones Genotípicas diferentes
Líneas F2
1 2 3 4 .. 10 n
2 4 8 16 . 1024 2n
4 16 64 256 . . 4n
3 9 27 81 . . 3n
2 4 8 16 . . 2n
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9. Lección 9. Herencia ligada al sexo. En la mayoría de los organismos existen dos sexos (macho y hembra) y aparecen en proporciones mas o menos iguales; el sexo es determinado por la presencia de cromosomas sexuales en los que cada integrante del par puede diferir en su tamaño dependiendo del organismo del cual se origina, por ejemplo, en los humanos y Drosophila, los machos tienen un cromosoma sexual más pequeño llamado Y (masculino) y uno más grande llamado X (femenino). Los machos son XY, y se dice que son heterogaméticos y las hembras son XX y son por lo tanto homogaméticas. . Los machos (si son heterogaméticos) contribuyen con el X o el Y a su descendencia, mientras que las hembras proveen uno de sus X. Por lo tanto en estos casos el macho determina el sexo de la descendencia. Recuerde que en la meiosis cada cromosoma se duplica y solo una copia de cada uno de ellos es portada por el gameto. En otras palabras la herencia ligada al sexo, no es más que la expresión de los genes en aquellas regiones del cromosoma X que no tienen su correspondencia en el cromosoma Y. Una de las primeras evidencias de la herencia ligada al sexo fue dada por Thomas H. Morgan cerca de 1920 durante sus estudios del color de ojos en Drosophila melanogaster la mosca de las frutas, un organismo ideal para los trabajos en genética ya que tienen tamaño pequeño, son fáciles de cuidar, son susceptibles de mutar , tienen un tiempo de generación corto (7 a 9 días) y poseen tan solo cuatro pares de cromosomas. Normalmente los ojos de Drosophila son rojos pero Morgan descubrió una mutante con un color de ojos diferente (blancos) y trató de duplicar con ella los experimentos de Mendel. La mayor parte de las mutaciones son generalmente recesivas, por lo tanto la aparición de una mutante de ojos blancos le brindó a Morgan la posibilidad de estudiar, en animales, los fenómenos que observó Mendel. Pero, en vez de conseguir un resultado tipo 3:1 en F2 (segundo entrecruzamiento) la relación fue cercana 4:1 (ojos rojos a ojos blancos) y por otra parte todos los individuos de la generación F2 de ojos blancos eran machos. La cruza de un macho homocigota para el color blanco con una hembra homocigota para el rojo da una descendencia que en su totalidad tienen ojos rojos. El rojo es dominante sobre el blanco. Sin embargo, la cruza de una hembra homocigota para ojos blancos con machos de ojos color rojo, da un resultado inesperado: todos los machos tienen ojos blancos y todas las hembras ojos rojos. Esta situación se explica solo de la siguiente manera: si el gen para color rojo solo esta en el cromosoma X, el macho de ojos rojos en un segundo cruce 59
pasará sus ojos rojos solo a sus hijas, que por otra parte recibirán un X portador del color blanco recesivo. Por lo tanto las hembras tendrán ojos rojos igual que su padre. Dado que la mosca de la fruta pasa solo un Y a sus hijos, el color de los ojos está enteramente determinado por el cromosoma X que recibe de su madre (en este caso blanco). Esta es la razón por la cual todos los machos de la segunda cruza tienen ojos de color blanco. (Figura 13). Figura 13. Herencia ligada al sexo en Drosophila sp.
Fuente: http://fai.unne.edu.ar/biologia/genetica/genet2.htm#mutaciones
En seres humanos se han identificado algunos genes que se encuentran localizados en los heterocromosomas y por lo tanto se trata de herencia ligada al sexo. Por ejemplo, los genes que codifican para el daltonismo y la hemofilia se encuentran localizados en el heterocromosoma X. 60
Los hombres son homicigotos, por lo tanto se espera que el fenotipo de un carácter recesivo ligado al sexo sea más frecuente en los hombres que en las mujeres, ya que los hombres no poseen un segundo cromosoma X que pueda llevar el alelo normal. Si este tipo de herencia es correcto, se pueden realizar varias predicciones. Primero, puesto que todos los varones obtienen el cromosoma X de su madre, los varones afectados han de ser descendientes de mujeres portadoras (heterocigotas). Una mujer es portadora si su padre presenta la enfermedad, pero si su padre no posee la enfermedad, su madre entonces debe ser la portadora. El carácter no se transmite de padre a hijo debido a que él aporta el cromosoma Y, no el X que es donde se lleva la enfermedad. Cuando una característica se transmite a través del heterocromosoma Y se habla de herencia holándrica. A manera general se puede concluir que: •
• •
La expresión genotípica de la herencia ligada al sexo de genes recesivos como el color blanco de los ojos de la mosca de la fruta o la hemofilia, distrofia muscular y el daltonismo es más común en machos Los hijos no pueden heredar de sus padres pero si las hijas Los hijos heredan el cromosoma Y de su padre.
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CAPITULO 3. Patrones modificadores de la herencia Mendeliana
INTRODUCCIÓN. La fortuna de Mendel fue que trabajo con caracteres regulados por genes que se comportan de acuerdo con el patrón clásico de de dominancia y recesividad, por lo cual nunca averiguó que existen otros patrones de comportamiento genético como el de codominancia, sobredominancia, dominancia incompleta, recesividad, Epístasis, ligamiento, etc. llamadas interacciones génicas. La interacción génica indica que las funciones de un gen están relacionadas con las funciones de otros genes y que la manifestación fenotípica puede estar influenciadas por esa interacción, lo que puede enmascarar, suprimir o alterar las proporciones de los descendientes de los cruces monohíbridos de la F1 produciendo proporciones no esperadas del 2:1 o 1:2:1. Así mismo, en los cruces dihíbridos o trihíbridos ,el medio ambiente también tiene influencia en la manifestación fenotípica, atenuando o eliminando algunas manifestaciones de los genes según sus interacciones. OBJETIVOS 1. Identificar los patrones que inciden en la variación y modificación de la herencia Mendeliana. 2. Identificar los efectos de las interacciones alélicas y no alélicas de los genes 3. Identificar los efectos de la interacción de genes con Epístasis 4. Determinar el efecto del ligamiento genético 5. Identificar el efecto de la interacción de genotipo-ambiente 62
10. Lección 10. Interacciones Alélicas. Los genes alelos, es decir, aquellos que se encuentran en el mismo locus en los cromosomas homólogos, pueden interactuar de diversas maneras y generar distintos mecanismos de herencia con dominancia, recesividad, herencia intermedia, codominancia, y series alélicas.
10.1 Dominancia. Es un tipo de interacción alélica en dónde uno de los genes presente en alguno de los dos cromosomas homólogos, se expresa y a la vez enmascara al gen que se encuentra en el mismo locus del otro cromosoma homólogo. El gen que enmascara se llama gen dominante y el enmascarado gen recesivo. En los experimentos de Mendel, al cruzar dos líneas puras, los híbridos obtenidos expresaban uno de los rasgos de sus progenitores, que correspondía a la expresión del gen dominante. En este caso no se puede diferenciar el heterocigoto Aa del homocigoto AA. O____________2 aa Aa AA
10.2 Recesividad. Al cruzar líneas puras se observa que una de las características consideradas desaparece en la F1, o se encuentra enmascarada, para luego desaparecer en un 25% de la descendencia de la F2. En este caso se dice que tanto la característica heredada como el factor o gen que controla son recesivos.
10.3 Codominancia. Este tipo de interacción se dilucidó estudiando la herencia de los grupos sanguíneos en el hombre. En la especie humana se distinguen cuatro grupos sanguíneos: A, B, AB y O. cuando uno de los progenitores es del grupo A y el otro del grupo B, el hijo puede ser del grupo AB, ya que los genes que determinan los grupos sanguíneos A y B se expresan de igual manera en el nuevo individuo, lo que se conoce como codominancia.
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Ejemplo:
M1 M1 x M2 M2 Res. Raza 1
F1
Res. Raza 2
M1M2
Mezcla de los fenotipos de los progenitores
F2 1M1M1;
2M1M2;
1M2M2
Res. Raza 1 Res. Raza 1 y 2 ; Res. Raza 2
Proporción fenotípica en la F2 es 1:2:1. Otro ejemplo de codominancia o dominancia incompleta es el encontrado en el color de los pétalos en la planta Mirabilis Jalapa, o "don Diego de noche", que al cruzar una planta de la línea pura, que produce flores rojas, con una planta de línea pura que produce flores blancas, se obtiene en la primera generación, plantas de flores rosadas, es decir, un rasgo intermedio al de los dos progenitores puros. Cuando las plantas de flores rosadas se cruzan entre sí, la F2 resultante produce 25% de plantas de flores rojas, 50% de flores rosadas y 25% de flores blancas, con lo que se obtiene una proporción del color de las flores o fenotípica de 1:2:1. Estos resultados se producen si uno de los miembros del par alelo para el color de las flores ejerce una dominancia incompleta sobre el otro miembro del par alelo. RR x bb Rojas
F1
Blancas
Rb Rosadas
F2. 1 RR ; 2Rb; 1 bb Rojas, Rosadas, Blancas
10.4 Sobredominancia Es una interacción alélica donde el fenotipo del heterocigoto se sitúa fuera del intervalo establecido por los fenotipos de los homocigotos, es decir el fenotipo heterocigoto es superior. aa AA Aa 10 35 60 80 ______-a___________+b______ Valores fenotípicos _____________d_______
Ejemplo:
AABB x aabb
AA = BB = 60 Un. = 120 Un. aa = bb = 10 Un. = 20 Un. AaBb Aa = Bb = 80 Un = 160 Unidades. 64
10.5 Series alélicas o Alelismo múltiple. La mayoría de los genes alelos se pueden presentar en más de dos formas alternativas constituyendo las llamadas series alélicas, estos genes interactúan entre si y su efecto no depende de su función propia si no tambien de la función de otros genes y del medio ambiente en el que se desarrolle el organismo. Un ejemplo es el color del pelaje en los mamíferos, como es el caso del ratón en que se han determinado cinco genes distintos que interactúan en el color del pelaje (A, B, C, D, y S). El gen A controla la distribución del color en el cabello, el gen B determina el tipo de pigmento que se produce, el gen C permite la aparición del color, el gen D controla la intensidad de la pigmentación producida por los otros genes del color del pelaje y el gen S controla la presencia o ausencia de manchas por lo que se deduce que la apariencia normal del pelaje de los ratones silvestres se produce mediante la interacción de un conjunto complejo de genes; este tipo de interacciones es la que determina la mayoría de las características de cualquier organismo. El grupo sanguíneo en los humanos es el caso de un solo gen con tres formas alternativas A; B; y O, En donde A= B significa que existe una relación de codominancia entre ellos, pero que cualquiera de ambos domina sobre "O" que es el alelo recesivo de la serie. A>O, B>0, A=B Fenotípicamente se presentan cuatro grupos sanguíneos= A, B, AB y O. Las células sanguíneas del grupo A tienen el antígeno A en su superficie. Además, la sangre de este grupo contiene anticuerpos contra el antígeno B presente en las células rojas de la sangre del grupo B. La sangre de este último grupo tiene la composición inversa al grupo A. En el suero del grupo AB no existe ninguno de los dos anticuerpos previos, pero los glóbulos rojos contienen los antígenos A y B. El grupo O carece de estos antígenos en los eritrocitos, pero este suero es capaz de producir anticuerpos contra los hematíes que los contengan. Si se transfunde sangre del grupo A a una persona del grupo B, los anticuerpos anti-A del receptor destruirán los glóbulos rojos de la sangre transfundida. Como los eritrocitos de la sangre del grupo O no contienen ningún antígeno en su superficie, la sangre de este grupo puede ser empleada con éxito en cualquier receptor. Las personas del grupo AB no producen anticuerpos, y pueden por tanto recibir transfusiones de cualquiera de los cuatro grupos. Así, los grupos O y AB se denominan donante universal y receptor universal respectivamente. Gen A produce antígeno A Gen B produce antígeno B Gen A B produce antígeno AB Gen O NO produce antígeno Como cada individuo puede tener dos y sólo dos de estos alelos, las combinaciones posibles con sus correspondientes fenotipos son las 65
siguientes: AA, Ab, AO, BB, BO,OO. En la siguiente tabla se puede apreciar más fácilmente las diferentes combinaciones de los alelos. Tabla 6. Combinación de alelos de genes que codifican para tipo de sangre en humanos. Madre
Padre
A A A B B O
A O B B O O
Genotipo cigoto AA AO AB BB BO OO
Fenotipo cigoto A A AB B B O
El grupo sanguíneo o Rh se basa en la existencia o no de diversos aglutinógenos, los factores Rh, en los glóbulos rojos. Es otro grupo sanguíneo de transmisión hereditaria que tiene gran importancia en obstetricia y que también hay que tener muy en cuenta en las transfusiones sanguíneas. Al igual que en el sistema ABO, también está implicado un antígeno que se localiza en la superficie de los eritrocitos. El grupo Rh+ posee este antígeno en su superficie; el Rh- no lo posee y es capaz de generar anticuerpos frente a él, por tanto, se puede desencadenar una respuesta inmune cuando se hace una transfusión de sangre de un individuo Rh+ a uno Rh-, aunque no al contrario. También puede aparecer respuesta inmune entre la madre y el feto: la madre Rh- se inmuniza por vía placentaria contra los antígenos del hijo Rh+. La inmunización resulta del paso de los glóbulos rojos fetales a la madre, y, al igual que en el caso de las transfusiones, no ocurre cuando la madre es Rh+, de ahí su importancia en obstetricia. La inmunidad en la madre se mantiene durante toda la vida. En posteriores embarazos, si el feto es Rh+, se genera la denominada incompatibilidad fetomaterna, de forma que los anticuerpos maternos atraviesan la placenta y se fijan a los antígenos que portan los glóbulos rojos fetales. El resultado es una enfermedad denominada eritroblastosis fetal o anemia hemolítica del recién nacido. Encarta ® 2005. Tabla 7. Reacción entre los eritrocitos de la sangre y el suero. Eritrocitos sangre A B AB O
Suero A + + -
B + + -
AB -
O + + + -
66
11. Lección 11. Interacciones no alélicas 11.1 Epístasis o interacción interalélica : La epistasia, deriva de la palabra griega que significa interrupción. El termino fue originalmente utilizado por Bateson en 1909 para describir los genes cuyos efectos enmascaran o cubren los efectos de otros genes. Desde entonces, el término ha evolucionado hasta tener un significado más general, sinónimo de interacciones entre genes de distintos loci, es decir se le utiliza para describir el fenómeno por el cual el efecto de un gen puede cambiar por la presencia o ausencia de otro gen o genes. Se denomina epistático al gen que se manifiesta e hipostático al gen no alélico que se inhibe. En las especies autógamas la espistasis es quizá más importante para los fitomejoradores que la dominancia, por que esta última es necesariamente efímera en dichas especies. La epistasia que no depende necesariamente de la heterocigosis, permite recombinaciones que son algo más que nuevas de agrupar viejos caracteres. A través de las interacciones de los genes pueden aparecer tipos diferentes inesperados y algunos de ellos pueden presentar auténticas ventajas sobres su progenitores. Allard (1999) En un dihíbrido la segregación independiente seria F2 9:3:3:1 es decir 4 fenotipos diferentes; cuando se presenta situaciones epistáticas la segregación se altera completamente produciendo segregaciones en la F2 como relaciones 9:7, 13:3, 15:1, 9:3:4, y 12:3:1. Cuando se interaccionan tres genes, las posibilidades son mayores y pueden darse relaciones 37:27, 55:9, y 27:9:9:19.
11.2 Epístasis dominante: 12:3:1 En este caso el alelo dominante de un gen inhibe o suprime totalmente el efecto del otro gen no alelos. Para entender esta interacción génica citaremos el siguiente ejemplo del color de la cebolla de bulbo el cual es controlado por dos genes así: color del bulbo = Blanco, Amarillo y Rojo V v
I i
Cruce Blanco X Amarillo F1
Blancos 67
Normal F2 12 Blancos V_ I_ 3 Rojos
V_ ii
1 Amarillo vvii 3 Fenotipos
9 V_I_ 3 V_ii 3 vvI_ 1 vvii
I = inhibe el color i = Amarillo V= Rojo v = Blanco
11.3 Epístasis recesiva: El gen recesivo a no deja expresar el gen B o b
A _______B __________ a b Ejemplo: el color de la flor del fríjol Caupí es gobernado por 2 genes y se presentan tres fenotipos: Violeta oscuro, violeta claro y blanca; al cruzar: Violetas oscuras X Blancas AABB
aabb
F1 Violetas oscuras AaBb F2 9 Violetas oscuras A_ B_ 3 Violetas claras A_bb + aabb 4 Blancas aabb + aaB_ Proporción fenotípica 9:3:4.
11.4 Epístasis Doble Dominante. (15:1) Genes Duplicados. Para que se presente el genotipo normal basta con que se presente un gen dominante. 68
A _______B __________ a b
mutante aabb
Normal 9 A_B_; 3 A_bb; 3 aaB_, La proporción 9 : 3 : 3 : 1 se modifica a 15 : 1 si los alelos dominantes de ambos loci producen cada uno el mismo fenotipo sin efecto acumulativo. Por ejemplo: El color de la hoja de fríjol puede ser: Verde normal o variegada y es manejada por 2 genes
A _______B __________ a b Hoja verde X Hoja Variegada F1 Verde F2. 15 verdes 1 variegada
11.5 Doble Epístasis recesiva (9:7) Es el caso en que ambos genotipos homocigotos recesivos producen fenotipos idénticos, la proporción se modifica a 9:7. Los genotipos aaB_, A_bb y aabb producen un solo fenotipo. Cuando ambos alelos son dominantes, se complementan uno con otro, y se produce un fenotipo diferente. En ausencia del alelo dominante se produce el fenotipo mutante: ejemplo; el contenido de cianuro en la hoja de trébol es controlado por dos genes:
A _______B __________ a b
Alto Cianuro X Bajo Cianuro
F1 Alto cianuro F2 9 Alto cianuro A_B_ 7 Bajo cianuro A_bb, aaB_, aabb
11.6 Genes duplicados con efectos acumulativos (9: 6: 1) Si la condición dominante (heterocigoto) se encuentra en uno o en otro locus (pero no en ambos) y produce el mismo fenotipo, la proporción se convierte en 9: 6: 1. 69
Por ejemplo, cuando los genes epistáticos están involucrados en la producción de varias cantidades de un producto, como por ejemplo pigmentos, puede considerarse que los genotipos dominantes de cada locus producen independientemente una unidad de pigmento. Así los genotipos A_bb y aaB_ producen cada uno una unidad de pigmento y tienen, por lo tanto el mismo fenotipo. El genotipo aabb no produce pigmento y en el genotipo A_B_ se produce un efecto acumulativo, es decir se producen dos unidades de pigmento.
70
12. Lección. 12. Ligamiento y recombinación genética De acuerdo con las leyes de Mendel los genes que controlan diferentes caracteres son heredados de forma independiente uno de otro y esto se cumple cuando los genes se hallan en cromosomas diferentes. T.H. Morgan demostró que los genes se encuentran en forma lineal en los cromosomas, por lo cual, se dice que ligamiento es la expresión de la distancia entre dos genes localizados en un mismo cromosoma y dependiendo de la lejania o cercanía entre ellos se puede o no presentar sobrecruzamiento dando origen a segregaciones independientes. Todos aquellos loci que se encuentran situados sobre el mismo cromosoma forman un Grupo de Ligamiento; cuando la distancia entre los dos genes que están situados en un mismo cromosoma es menor a 0.5 Centimorgan (CM) hay ligamiento. Cuanto más alejados están entre sí dos loci ligados ( A,a y C,c) más probable es que se dé sobrecruzamiento entre ellos, cuanto más cerca están entre sí dos loci ligados (A,a y B,b) menos probable es que se dé sobrecruzamiento entre ambos.
Los loci Aa y Bb tienen tendencia a heredarse conjuntamente no permitiendo la recombinación genética; por tanto el ligamiento puede ser bueno si los genes ligados codifican caracteres buenos y malo, cuando condiciona un ligamiento de un gen bueno y uno malo, por ejemplo: A___________B
A = Alto rendimiento
a
B = Mala calidad.
b
Para probar si existe ligamiento, se realiza la prueba en la F2 examinando las proporciones de la descendencia y realizando el cruzamiento prueba.
12.1 Clases de ligamiento: 12.1.1.
Ligamiento total:
No hay recombinación genética, los genes están muy próximos C = 0
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12.1.2. Ligamiento según disposición en los genes. Dos loci ligados pueden estar en Fase de Acoplamiento AB/ab (los dos alelos dominantes sobre el mismo cromosoma, y los dos recesivos sobre el cromosoma homologo) o en Fase de Repulsión Ab/aB (un alelo dominante y otro recesivo sobre cada cromosoma). •
Configuración Cis o Acoplamiento = AB/AB o ab/ab
•
Configuración Trans. o repulsión = Ab/Ab; o aB/aB
La recombinación (C) puede variar entre 0 y 0,5 así: Segregación independiente C = 0,5 Ligamiento total. C = 0,0 Ligamiento parcial C = 0,5 > C > 0,0. •
Ligamiento en Atracción; segregación independiente AB/AB x ab/ab F1 AB/ab
•
F2 ¼ AB,
¼ Ab, ¼ aB,
¼ ab
Parental
Recombinantes
Parental
C = 0,5
Ligamiento Total; no hay recombinante ½ AB ____ , ____ , ½ ab Parental
•
Parental
Ligamiento total
Ligamiento parcial: la recombinación se encuentra dividida entre el número de gametos. ½ C AB;
C/2 Ab;
C/2 aB; C/2 ab; C = 0,5 > C < 0,0.
Ejemplo: Estudio de color de la flor y textura de la hoja 72
Color de la flor V = Normal color amarillo; v = mutante color oro Textura hoja
B = Normal Lisa; VB/VB F1
x
b = bullota arrugada
vb/vb En configuración CIS
VB/bv
F2 ___VB
vb
3 V_B_ Paternal
VB
VVBB
VvBb
0 V_bb Recombinante
vb
VvBb
vvbb
0 vvBb Recombinante 1 vvbb Paternal
Vb/Vb x F1
vB/vB En configuración Trans
Vb/vB
F2 ___Vb Vb
VVbb
vB
VvBb
vB VvBb vvBB
2 V_B_ Recombinante 1 V_bb Parental 1 vvB_ Parental 0 vvbb Paternal
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13. Lección 13. Cruce de prueba. Gregorio Mendel para probar su hipótesis de que los alelos están en pares y se separan en la formación de gametas realizó un experimento adicional: cruzó la F1 (semillas lisas) con la raza pura paterna de semillas rugosas (padre homocigota recesivo) a lo que se denominó CRUZAMIENTO DE PRUEBA. En un cruzamiento de prueba se cruzan un genotipo desconocido que muestra el carácter dominante con el padre homocigota recesivo. Lo que se pretende demostrar es si el genotipo desconocido es homocigota dominante o heterocigota para ese carácter. Si se producen dos fenotipos distintos quiere decir que el progenitor desconocido era heterocigota para ese carácter. Si por el contrario aparece un solo fenotipo es homocigoto. Para ello Mendel llevo a cabo el siguiente experimento: Cruzó sus guisantes heterocígoticos de semillas redondas (Rr) con semillas arrugadas homocigóticas (rr). Pensó que el progenitor homocigótico recesivo podría solamente producir gametos que contenían el alelo r. El padre heterocigótico produciría igual número de gametos R y gametos r. Mendel predijo además que la mitad de las semillas producidas a partir de este cruce serían redondas (Rr) y que la mitad serían arrugadas (rr). Por este medio se prueba la composición del genotipo en aquellos casos en donde dos genotipos diferentes (como RR y Rr) producen el mismo fenotipo. Para un observador casual, este cruce no le parecería diferente del cruce P1 descrito antes. Guisantes de semilla redonda se cruzaban con guisantes de semilla arrugada. Pero Mendel, suponiendo que los guisantes de semillas redondas utilizados en este cruce en realidad eran heterocigóticos, predijo que se producirían tanto semillas redondas como arrugadas y en una proporción 50:50. Mendel llevó a efecto los apareamientos y cosechó 106 semillas redondas y 101 semillas arrugadas de guisantes, tal cual como se ilustra en la siguiente figura. Figura 14. Representación esquemática del cruce de prueba.
74
La hipótesis de Mendel había explicado todos los hechos conocidos. Había conducido también a la predicción de hechos hasta entonces no conocidos. Cuando se pusieron en evidencia estos hechos, su hipótesis se fortaleció considerablemente. Una hipótesis que explica todos los hechos conocidos en un momento dado y predice con éxito nuevos hechos, se convierte en una teoría. Si una teoría continúa cumpliendo su papel explicativo y predictivo, finalmente puede llegar a ser una ley. Dos de las suposiciones de Mendel se llaman hoy en día Las Leyes de Mendel.
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14. Lección 14. Interacción genotipo por ambiente. El estudio de la interacción genotipo-ambiente (G x A) es un tema de relevancia en la etapa final del mejoramiento genético, siendo uno de los factores determinantes en la selección y recomendación de cultivares evaluados en pruebas regionales de rendimiento, debido a que los patrones de respuesta de los cultivares no son uniformes a través de los diversos ambientes donde se evalúan y que seguramente cambiaran en los lugares en donde los agricultores los siembren. El Ambiente es el conjunto de factores que afectan el desarrollo de una planta, el cual comprende todos los efectos predecibles edáficos (química y física del suelo), climatológicos, (radiación solar, hora luz) y los efectos no predecibles como; Climatológicos (lluvias, humedad relativa del aire, temperatura) y biológicos (insectos, enfermedades, agentes simbióticos, micorrizas) que afectan el crecimiento o el desarrollo (o ambos estados) de una planta determinada en un sitio específico y la probabilidad de que estas condiciones se repitan en otro sitio se considera casi nula. La evaluación de cultivares en diferentes ambientes se realiza con el objetivo de recomendar a aquéllos que se comporten mejor en la mayor cantidad de ambientes de una región determinada. Los cambios en el ordenamiento de los cultivares al cambiar de ambiente indican la presencia de interacción genotipo x ambiente (IGA) y la ausencia de estabilidad para el carácter en cuestión. Los avances genéticos de la selección, dependen de tres factores fundamentales, según Allard (1967) de la variabilidad genética entre los diferentes individuos, del efecto de enmascaramiento del ambiente y sus componentes de interacción sobre esta variabilidad, y de la intensidad de selección aplicada. Si no existiera influencia del ambiente el valor genotípico sería igual al fenotípico. Cuando medimos el valor fenotípico de un carácter en individuos que han crecido en el mismo ambiente, las diferencias entre unos y otros se deben exclusivamente a causas genéticas. Si no hubiera influencia del genotipo todo el valor fenotípico se debería al efecto ambiental. Cuando medimos el valor fenotípico de un carácter en individuos con el mismo genotipo, las diferencias se deberán a causas ambientales. En un sentido más amplio, tendríamos que decir que el fenotipo es igual al genotipo más el ambiente más la interacción genotipo-ambiente. F = G + A + GxA 76
Se dice que existe interacción genotipo-ambiente cuando una diferencia específica del ambiente no tiene el mismo efecto sobre diferentes genotipos. Esto significa que el genotipo A puede ser superior al genotipo B en el ambiente X, pero inferior en el ambiente Y. Ejemplo un frijol sembrado en Palmira y en los Llanos Orientales presenta rendimientos diferentes, lo que demuestra la incapacidad de un genotipo de responder de manera igual a varios ambientes. Se puede presentar tambien no interacción genotipo por ambiente en algunos genotipos estables o si lo presenta esta no es significativa. También se presentan casos donde IGA es significativa, pero el orden del merito de un material con respecto a otro no varia de una localidad a otra; ejemplo dos variedades de fríjol sembrados en Palmira tienen el siguiente orden de importancia V1 > V2 y estas mismas variedades evaluadas en los Llanos Orientales conservan el mismo orden de merito, es decir, V1 > V2 . Por otro lado, una falta de IGA puede significar falta de diversidad genética, lo que puede ser desastroso si está asociado a vulnerabilidad genética de un cultivo a enfermedades, ataque de insectos u otros factores u homogeneidad de los ambientes donde se prueban los genotipos. La evaluación extensiva a través de localidades y años permite identificar el germoplasma superior para una amplia área geográfica por un lado y por el otro, permite minimizar las IGA modificando genéticamente a los cultivares, por ejemplo confiriéndoles resistencia o tolerancia a los estreses a los que pueden estar sometidos y que son responsables de sus interacciones con el ambiente. Esto tendería al mejoramiento del comportamiento a través de un amplio espectro ambiental, lo que resultará más rentable para los agricultores y para las empresas semilleras. Los cambios de ambiente pueden producir cambios dramáticos en las plantas, en especial en aquellos caracteres cualitativos que son manejados por pocos genes. Para ser efectiva la selección, hay que recurrir a métodos que permitan diferenciar el efecto del medio ambiente del efecto hereditario, tomándose en cuenta la forma de reproducción de las plantas y la heredabilidad del carácter o caracteres a seleccionar El muestreo ambiental, es un factor importante para el éxito de las selección de un cultivar o material comercial de cultivo a recomendar en un determinado lugar. La medición de la IGA es una actividad costosa y demorada, esta se puede realizar por dos metodologías: bajo condiciones naturales; combinando localidades y semestres; combinando variedades, localidades y semestres. Bajo condiciones artificiales se puede evaluar: utilizando fechas de siembras 77
diferentes en el mismo sitio; utilizando diferentes gradientes de fertilidad; diferentes gradientes de humedad; diferentes densidades de siembra, diferente incidencia de plagas y enfermedades. La magnitud de la interacción GxA es estimada mediante el análisis de varianza de un conjunto de grupos de experimentos, repetidos en diferentes localidades y años. Y la otra es con regresión. Las varianzas debidas a interacciones genotipo-medio ambiente basada en un solo ensayo puede conducir a graves errores, esto es debido a que en las experiencias basadas en un solo año y en una sola localidad no puede separarse la varianza genotípica y si la varianza debida a las interacciones es importante, las predicciones basadas en la sobreestimación de la varianza genética no cumplirá en años futuros y en otros localidades y por lo tanto fracasará al tratar de predecir hechos sin tener en cuenta la interacción entre el genotipo y el medio ambiente. Ejemplo: Se realiza un análisis de varianza para evaluar la interacción genotipo por ambiente midiendo el caracter rendimiento de 10 genotipos en una localidad y un semestre. FV
Gl
Repeticiones Genotipo G x R x Error
R-1 G-1
SC
CM
F
CM. Esperados
Cm CmGRe CmGReE
2
2
σ E+ r σ g 2 σE
FV = fuente de variación Gl = Grados de libertad SC = Suma de cuadrados CM = Cuadrado medio F = F tabulado
Se presento interacción genotipo por ambiente. σ2F = σ2R + σ2g + σ2g x R Hay variación de genotipos, de repeticiones y de interacción genotipo por ambiente.
Si se utilizan varias localidades, varios semestres FV
GL
Localidad Semestre Genotipos Gxlocalidad GxSemestre GxLoxSe Error
Loc-1 Sem-1 G-1 G-1xLo-1 G-1xSe-1 G-1xLo-1xSe-1 Lo(G-1)(lo-1)Se-1)
SC
CM CmG CmGxloc CmxSe CmGxLxS Cm error
F
CM Esperados σ2l+rσ2gls+rlσ2gxs+σ2L+rsσ2gls+rlsσ2g σ2 l+ r σ2gls+rsσ2gxl σ2l + r σ2gls+rlσ2gxs σ2l + r σ2gls σ2e
Para expresar la diferencia entre las variedades y medir y cuantificar los cambios en una variable con respecto a otra se realiza una regresión propuesta por Finlay y Wilkinson. 78
15. Lección 15. Estabilidad y adaptabilidad. La estabilidad es el atributo que le permite a los genotipos ajustar su capacidad productiva a la más amplia variación del estímulo ambiental cuando son evaluados en ambientes diferentes; en otras palabras es el comportamiento similar y predecible de un material, el cual, al cambiar las condiciones medio ambientales no cambia su genotipo. Ejemplo, una variedad de maíz responde con un rendimiento igual en el semestre 1 que en el semestre 2 en el Valle del Cauca. La estabilidad no implica una constancia general del fenotipo en diferentes ambientes. Implica estabilidad en aquellos aspectos del fenotipo, especialmente el rendimiento y la calidad, que son de importancia económica. Así, los genotipos fenotípicamente estables pueden serlo para características agrícolas importantes, pero no necesariamente para todas las que constituyen el fenotipo. (Escobar, 1997) Se han propuesto diversos procedimientos para determinar la estabilidad fenotípica; todos ellos contemplan la evaluación de todos los genotipos en ambientes con condiciones diferentes. Entre estos se ha propuesto que la estabilidad de los fenotipos se puede identificar mediante la comparación del comportamiento de los genotipos y de la ubicación de ellos en una escala de mayor a menor comportamiento en cada uno de los ambientes en que se evalúan. El rango promedio es un índice de estabilidad: el menor promedio corresponde a la población más estable y viceversa. Escobar (1997) Eberhart y Russell (1966) propusieron un modelo basado en la técnica de regresión y consideraron dos parámetros empíricos: la pendiente de la línea de regresión (bi) y las desviaciones de la línea de regresión (S2di). El modelo propuesto es el siguiente: Yij = µi + ßiIj + dij donde: Yij = promedio del genotipo i en el ambiente j. µi = promedio del genotipo i en todos los ambientes. ßi = coeficiente de regresión que mide la respuesta del genotipo i al variar los ambientes. Ij = índice ambiental del ambiente j-ésimo, que se calcula como la desviación del promedio de los genotipos en un ambiente dado a partir del promedio general. dij = desviación de la regresión.
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De acuerdo con los autores, un genotipo estable es aquel para el cual se obtiene un coeficiente de regresión igual a la unidad (bi = 1) y una mínima desviación de la línea de regresión (S2di=0). Valores del coeficiente bi mayores que la unidad, indican que el correspondiente genotipo responde bien a ambientes favorables, pero su comportamiento es pobre en ambientes desfavorables. Por el contrario, si el valor de bi es menor que la unidad, indica que tal genotipo se comporta bien en ambientes desfavorables. La interpretación generalizada de los estadísticos de estabilidad de Eberhart y Russell es como se indica a continuación: Tabla 8. Interpretación generalizada de los estadísticos de estabilidad de Eberhart y Rusell.
Valor
Comportamiento
bi = 1
Estabilidad media. Asociado con rendimientos altos: adaptabilidad general; rendimientos bajos: pobre adaptabilidad Genotipos sensibles. Adaptación a ambientes favorables Resistencia a cambios ambientales. Adaptación a malos ambientes Estabilidad absoluta. Asociado con rendimientos altos: genotipo ideal Buena estabilidad. Mala estabilidad
bi > 1 bi < 1 bi = 0 S2di = 0 S2di > 0
Fuente: Escobar 1997. http://www.unalmed.edu.co/~cescobar/mani_estabilidad.htm
Para Carballo y Márquez (1970), el genotipo deseable es aquel que, además de los parámetros de estabilidad bi = 1 y S2di = 0, presenta alto rendimiento. Los fitomejoradores buscan seleccionar cultivares que se comporten bien en un amplio rango de ambientes. Sin embargo, la identificación de cultivares ampliamente adaptados se hace difícil cuando existe interacción genotipo x ambiente (G x A). La interacción G x A ha mostrado que reduce el progreso en la selección y complica la identificación de cultivares superiores en ensayos regionales y muchas veces ocasiona que el fitomejorador deba desarrollar genotipos adaptados a diferentes localidades a través de selección independiente, intentando entonces alcanzar el máximo potencial 80
de rendimiento en dicho sustancialmente los costos. específica de los genotipos, consistentes de año a año y una localidad y no en otra.
ambiente y aumentando, por lo tanto, De aquí surge el concepto de adaptabilidad cuando las diferencias entre localidades son explican que el genotipo se comporte bien en
La adaptabilidad es entonces el comportamiento similar y predecible en función de localidades; para algunos autores los términos adaptabilidad y estabilidad son sinónimos. De la estabilidad se derivan otras definiciones como estabilidad biológica, estabilidad agronómica, homeostasis, amortiguamiento y plasticidad: Estabilidad biológica; es aquella que responde de manera similar en todos los ambientes, no cambia en la medida de se mejora el ambiente; biológicamente es interesante, en el caso de ambientes con alta o baja incidencia de patógenos, ya que su produccion permanece constante. Estabilidad agronómica: es aquella que en la medida que se mejora el ambiente tambien se mejora la produccion de la especie; estas dos variables determina la filosofía del mejoramiento. La revolución verde se baso en el principio de la estabilidad agronómica, produciendo materiales que responden a la aplicación de insumos. Los genotipos que presenten una estabilidad agronómica para un amplio rango de ambientes, se dice que tienen una adaptabilidad general o amplia. Si por el contrario, muestra una estabilidad para un rango angosto de ambientes se dice que el genotipo tiene una adaptabilidad especifica o estrecha. En este sentido se puede hablar de genotipos especialistas y de genotipos generalistas. Homeostasis : Es la capacidad alta que tiene una especie o variedad de responder uniformemente a los cambios del ambiente, no tiene una IGA significativa, por ejemplo, responde igual a suelos buenos o pobres. Plasticidad; es un termino para referirnos cuando el fenotipo varia en la medida que cambia el ambiente, es decir no es adaptable.
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UNIDAD 2
SISTEMAS DE REPRODUCCIÓN DE LAS PLANTAS CULTIVADAS INTRODUCCIÓN El Mejoramiento genético tiene como fin producir plantas con características deseables según el cultivo de que se trate. En cultivos hortofrutícolas se buscan características como homogeneidad, mayor productividad por planta, tolerancia a plagas y enfermedades, precocidad, neutralidad al fotoperiodo y a fitorreguladores. En algunos casos se requieren plantas de menor altura o en el caso de flores de corte nuevos colores y formas novedosas de pétalos e inflorescencias. Para lograrlo es necesario tomar esas características de plantas que las poseen y transferirlas a aquellas que no las tienen, es decir que se necesita de progenitores con características deseables de donde se pueda obtener una descendencia que contenga las características deseables de ambos parentales y esto se logra manipulando los mecanismos de reproducción de las plantas a fin de lograr genotipos y fenotipos deseables. La unidad dos por tanto tratará sobre los diferentes sistemas de reproducción de plantas así como aspectos generales de variabilidad genética, genética cuantitativa y genética de poblaciones.
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CAPITULO 4. Sistemas de reproducción sexual en plantas autógamas y alógamas y factores que la favorecen
INTRODUCCIÓN. La constitución genotípica de cada planta depende de cierta manera de la forma en que ésta se reproduce, por lo tanto el sistema reproductivo de cada planta estará relacionado con el método específico que debe utilizarse para poder mejorarla. Las plantas que se reproducen sexualmente mediante polinización pueden hacerlo de varías formas, ya sea fertilizándose a si mismas o fertilizándose unas a otras entre individuos de la misma especie. Así, será importante determinar que tipo de fertilización se da en cada especie a fin de poder manipular practicas como las de polinización artificial antes de comenzar programas de mejora genética. OBJETIVOS 1. Conocer el mecanismo general de reproducción sexual en plantas 2. Reconocer la diferencia entre plantas alógamas y autógamas y su importancia en el mejoramiento genético y conservación de la biodiversidad 3. Reconocer los mecanismos que aseguran la Alogamia 4. Conocer los mecanismos de dioecia y su aplicabilidad al mejoramiento de plantas. 5. Conocer los mecanismos de incompatibilidad y esterilidad y su aplicación en el mejoramiento genético. 83
16. Lección 16. Plantas Autogamas 16.1 Gametogénesis en plantas. Mecanismo de Fertilización En plantas superiores los gametos masculino y femenino (grano de polen y óvulo) se localizan dentro de los gametófitos masculinos y femenino (saco embrionario) que se forman dentro de unas estructuras denominadas micro y macroesporangios respectivamente. Estas estructuras se hallan en la flor que forma parte de la generación esporofítica (2n o diploide). Esta generación es el resultado de la fecundación de la gameta femenina (óvulo, n o haploide) contenida en el saco embrionario o gametofito femenino con el grano de polen (n, haploide) alojado en el gametofito masculino. El ciclo de vida de las plantas superiores se caracteriza por la alternancia de generaciones (esporofítica versus gametofítica). La generación esporofítica, diploide o 2n se caracteriza porque todos los órganos y tejidos de la planta son diploides (2n). La parte masculina de la flor está representada por los estambres formados por el filamento y la antera, en tanto que, la parte femenina la constituye el gineceo cuyas partes son: estigma, estilo, y ovario. En las anteras y dentro de sus tecas se localizan los microesporangios, estructuras en las que por meiosis, se forman los granos de polen o gametos masculinos (n, haploides) a partir de las Células Madres de las Microsporas (CMMi) o Granos de Polen. (CMGP). (Pisabarro A. et al.2005.). Figura 15 . Proceso de fecundación.
Fuente: Pisabarro A, Ramírez L. Universidad de Navarra.
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Estos granos de polen son traslados por el viento o por insectos hasta el estigma de la flor donde se hidratan, germinan y sufren una mitosis que da origen a dos núcleos haploides genéticamente iguales: el núcleo vegetativo y el núcleo reproductivo. El primero es el responsable de la formación de un tubo polínico o gametofito masculino que atraviesa el estilo del gineceo con el propósito de llegar al óvulo y que contiene en su interior al núcleo reproductivo. Este último sufrirá una nueva mitosis y dará lugar a dos núcleos que intervendrán en el proceso de fertilización. La gameta femenina (óvulo: n haploide) se forma a partir de una célula del megaesporangio. Dicha célula (Célula Madre de la Megaspora. CMM) sufre meiosis. y da origen a cuatro productos meióticos, haploides) de los cuales tres degeneran. El núcleo que sobrevive sufre tres divisiones mitóticas sucesivas y da origen a una estructura llamada gametofito femenino ó saco embrionario que contienen ocho núcleos haploides genéticamente iguales, uno de los cuales es el óvulo. Las generaciones gametofíticas masculinas y femeninas (haploides) están contenida dentro de la generación esporofítica (2n) por lo que se dice que las primeras son parásitas en el espacio y en el tiempo de la segunda. Como consecuencia de la fecundación de la gameta femenina u óvulo contenida en el gametofito femenino o saco embrionario por la gameta masculina contenida en el gametofito masculino se forma el embrión 2n que al germinar da origen a la generación esporofítica. (Pisabarro A. et al.2005.). Figura 16.Gametogénesis femenina
Fuente: Pisabarro A. Ramírez L. Universidad de Navarra.
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Figura 17.Gametogénesis Masculina
Fuente: Pisabarro A. Ramírez L. Universidad de Navarra.
Figura 18 . Polinización
Fuente: Pisabarro A. Ramírez L. Universidad de Navarra.
En las Angiospermas la fertilización es doble. Uno de los dos núcleos (haploide) del gametofito masculino fecunda a la ovocélula (célula huevo haploide) formando un cigoto (diploide, 2n) que por mitosis dará lugar al embrión. El otro núcleo se une a los dos núcleos polares (cada uno de ellos haploide) del gametofito femenino y forma el endospermo (triploide, 3n) tejido nutricio a partir del cual se desarrollará el embrión en sus primeras etapas de desarrollo. (Pisabarro A. et al.2005.). 86
Figura 19 . Fecundación
Fuente: Pisabarro A. Ramírez L. Universidad de Navarra.
16.2 Plantas autógamas Se consideran plantas autógamas a aquellas que utilizan la autofecundación como mecanismo reproductivo. La autogamia casi nunca es completa, presentándose algún porcentaje de fertilización cruzada. Sin embargo, se consideran especies autógamas aquellas en que el porcentaje de fertilización interespecífica se reproducen sexualmente por autofecundación. La autogamia absoluta no es común, pero desde el punto de vista del mejoramiento genético se consideran autógamas si el porcentaje de fecundación entre plantas de la misma especie no supera el 4 %. En algunas plantas debido a la morfología de la flor, la autogamia se presenta debido a que las anteras de la flor liberan el polen justo encima de su propio estigma el cual se presenta receptivo mientras la flor permanece cerrada. De ésta manera se evita que polen de otras flores pueda ingresar. A éste mecanismo de la flor se le denomina cleistogamia. Este mecanismo se da en cereales como el trigo, la avena y el arroz. En otras plantas como el sorgo, el fríjol, la arveja, el tomate y el algodón, las flores no poseen el mecanismo de Cleistogamia, por lo que son fertilizadas mientras permanecen abiertas, sin embargo el porcentaje de fertilización cruzada es muy pequeño. La tendencia a la fertilización cruzada o alogamia en estas plantas varía dependiendo del genotipo. Así, algunas variedades de arroz pueden ser más alogámicas que otras.
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El clima también influye sobre todo en cereales, lo cuales en climas tropicales y subtropicales se muestran más alogámicos que cuando se desarrollan en zonas templadas. Cuando se realiza mejoramiento, es necesario no solo escoger el método adecuado sino también hacer una buena selección de parentales para lo cual es preciso reconocer los tipos superiores existentes dentro de una población determinada y variable. Según el tipo de planta de que se trate, sea alógama o autógama hay restricciones a la selección impuestas por la genética misma, de manera que es posible aprovechar la variabilidad natural existente dentro de la población en pro del mejoramiento. (Pisabarro A. et al.2005.) Figura 20.Flor del algodón
Autor: Kekita 20/7/06 23:31.static.flickr.com
Figura 21.Espiguilla y flor del arroz
Fuentes: www.puc.cl/.../cereales/arroz/espiguil.htm www.ciat.cgiar.org
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Las especies en las que la autogamia es común pero la alogamia no es rara se dice que son autógamas facultativas, también denominadas por algunos autores como autógamas opcionales. Las plantas de especies autógamas son por lo general anuales, con flores pequeñas, no conspicuas, sin atracción para los agentes polinizadores. La autogamia es una estrategia útil cuando existe un pequeño número de individuos por área ya que el éxito de la propagación es más importante que la producción de nuevos genotipos. En las flores monoclinas o perfectas, es posible la autofecundación, ya sea por la acción de diversos dispositivos florales o por la intervención de un polinizador. En el lirio, Lilium martagon, el estilo inicialmente erecto, se mueve curvándose para ponerse en contacto con los estambres para autopolinizarse.( Gonzalez Ana M. et al). Figura 22. Lilium Martagón. Estilo móvil
Autor: Spencer C.H.Barrett
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17. Lección 17. Plantas alógamas Se considera como alógamas a aquellas plantas que no se autofecundan sino que por el contrario, poseen mecanismos de fecundación cruzada. La alogamia es un sistema que garantiza la variabilidad genética y por tanto las nuevas combinaciones alélicas dentro de una especie. No está restringido sólo a plantas con flores sino que también se da en otros tipos de organismos (por ejemplo en Briofitas) en los que en vez de existir granos de polen (como gametas masculinas) existen gametos masculinos (anteridios). En la evolución de plantas fueron apareciendo mecanismos de reproducción que favorecían la alogamia y que excluían total o parcialmente la autogamia. Las ventajas de la alogamia radican en la producción de nuevas combinaciones genéticas en la población, que aseguran la variabilidad de la especie y en consecuencia, la posibilidad de sobrevivir a los cambios de medio ambiente. Por eso las Angiospermas desarrollaron numerosas adaptaciones florales para favorecer la alogamia, como por ejemplo la separación espacial y temporal de los sexos y otras variaciones como la presentación secundaria de polen.(González Ana et al). Según el tipo de flor que posean, las plantas alógamas se clasifican en tres grupos : Ø Plantas con flores hermafroditas: Son flores completas que poseen los dos sexos. Ejemplo de ellas son: Cebolla, el centeno y el maracuyá. Figura 23. Flor hermafrodita del Maracuyá
Fuente: http://www.bespa.agrarias.ufpr.br/paginas/apresentacoes/1reprodutivos.pdf
Ø Plantas monóicas: Tienen flores unisexuales masculinas y femeninas en la misma planta, como el melón, el mijo, el pepino y el maíz.
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Figura 24. Planta monoica, Maíz
Fuente: http://www.bespa.agrarias.ufpr.br/paginas/apresentacoes/1reprodutivos.pdf
Ø Plantas dioicas: Plantas con flores masculinas y femeninas, como araucaria y kiwi.
plantas con flores
Figura 25. Planta Dioica. Kiwi.
Fuente: http://www.bespa.agrarias.ufpr.br/paginas/apresentacoes/1reprodutivos.pdf
Un gran número de angiospermas poseían flores hermafroditas con estambres y carpelos en la misma flor y eran en su mayoría auto incompatibles. Aún hoy la situación perdura. Las angiospermas más modernas se caracterizan por ser monoicas o dioicas. Es más, se han 91
descrito algunas especies como Bryonia por ejemplo que presenta individuos monoicos y dioicos. En la mayoría de las familias de las angiospermas la estructura floral presenta mecanismos que previenen la transferencia accidental del polen al estigma, de manera que solamente con la ayuda de polinizadores (insectos, pájaros) puede garantizarse la transferencia del polen al estigma de otra flor. Muchas de las plantas alógamas necesitan de la participación de polinizadores para poder desarrollar frutos y semillas. Algunas poseen nectarios que atraen a los insectos que buscan las mieles azucaradas. Otras no poseen nectarios pero han desarrollado colores atractivos para los insectos y formas especiales que facilitan la entrada del insecto a la flor y aseguran que el polen quede adherido a él, quien se encargará de llevarlo hasta otra flor. Para una especie alógama o de fecundación cruzada, el proceso de autofecundación o cruzamientos con individuos estrechamente emparentados, lleva a grandes problemas con consecuencias drásticas para algunos alelos pues durante el proceso de autofecundación se manifiestan alelos letales que no se manifestaban en el estado heterocigótico. En las poblaciones de plantas alógamas, es frecuente la presencia de factores desfavorables que se mantienen en heterocigosis, tales como genes de esterilidad floral en centeno, letales por deficiencias clorofílicas en maíces y otros. En la mayoría de los casos estos genes se mantienen porque la selección natural favorece a los heterocigotos.(Ramírez L.). Los genes considerados letales hacen que el individuo no llegue a desarrollarse, muriendo en estado de embrión. Sin embargo, a veces la letalidad no es completa y se considera más bien como subletalidad, caracterizada por una disminución de la sobre vivencia de los individuos homocigóticos para un determinado gen o por la manifestación a una determinada edad de los efectos del gen. Las plantas alógamas han desarrollado mecanismos que les permiten mantener o incentivar la alogamia, tales como la dicogamia y la presencia de barreras mecánicas.
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18. Lección 18. Mecanismos que Aseguran la Alogamia. 18.1 Dicogamia El fenómeno de dicogamia es un mecanismo para garantizar la fecundación cruzada. Consiste en que el androceo y el gineceo de las flores de algunas especies maduran uno a continuación del otro. En la homogamia, por el contrario ambos verticilos florales maduran simultáneamente. Si los estambres maduran antes que el gineceo, las flores son protándricas. Así, la flor funciona primero como flor masculina y luego como flor femenina. La protandria favorece la alogamia y es el caso más frecuente en especies con dicogamia intrafloral.(González Ana et al). En las flores protogínicas, el gineceo es el que madura primero. En algunos géneros como por ejemplo Tulipa (tulipán) y Hyacinthus (jacinto) las especies tetraploides son autocompatibles mientras que las diploides de las que provienen son autoincompatibles. La dicogamia puede ocurrir tanto en plantas con flores monoclinas (intrafloral) como en plantas monoicas con flores diclinas (interfloral). Por ejemplo, en Cucurbita maxima var. zapallito, con flores diclinas, primero aparecen las flores masculinas y unas dos semanas después, las flores femeninas. .(González Ana et al). Figura 26. Dicogamia en Zapallo
Cucurbita maxima, flor femenina
C. maxima, flor masculina
Fuente: http://www.biologia.edu.ar/botanica/tema23/poliniza-abierta.htm
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El ejemplo más claro de Dicogamia se observa en Aguacates, cuyo comportamiento floral es muy peculiar. Las flores, de color blanco verduscas, de pequeño tamaño, de 1 cm de diámetro, se presentan en forma agrupada (inflorescencia) en forma de panícula en los extremos de las ramas y/o en las axilas de las hojas. Son completas, con ambos sexos presentes (hermafroditas) y funcionales, pero con períodos de maduración fisiológica distintos; es decir, la capacidad de estos órganos para fecundar o ser fecundados ocurre en períodos distintos de tiempo en cada una de ellas. La flor, en condiciones normales, tiende a presentar una fase femenina y, posteriormente una fase masculina. Además existen dos tipos florales denominados A y B, en los cuales la alternancia de la dicogamia es diferente y por lo tanto en el cultivo se necesitan de ambos tipos varietales para lograr la polinización. Plantas o cultivares del grupo floral A: 1.a. Primera apertura de la flor: se sucede en la mañana, el órgano femenino (estigma) está receptivo, el órgano masculino (anteras) no está dehiscente (soltando polen). 1.b. Primer cierre de la flor: se sucede al mediodía de este primer día. 1.c. La segunda apertura de la flor: se sucede al día siguiente después del mediodía, estando los órganos masculinos (anteras) soltando polen (dehiscentes), pero el estigma, órgano femenino de la flor, no está receptivo por estar marchito. 2. Plantas o cultivares del grupo floral B 2a. Primera apertura de la flor: después del mediodía, el órgano femenino (estigma) está receptivo, el órgano masculino (antera) no está dehiscente (soltando polen). 2b. Primer cierre de la flor: se sucede al anochecer de ese mismo día. 2c. La segunda apertura de la flor: se sucede al día siguiente en la mañana, estando los órganos masculinos (anteras) dehiscentes (soltando polen), pero el estigma (órgano femenino) en estado no receptivo.
18.2 Plantas Intermediarias Se consideran plantas intermediarias aquellas que poseen un porcentaje de fecundación cruzada entre un 5 y un 95%. Entre estas especies se encuentra el algodón, el café y el sorgo. Cuando el porcentaje de alogamia está por encima del 95%, se consideran plantas alógamas.4
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18.3 Barreras mecánicas Un ejemplo clásico de la presencia de barrearas mecánicas se da en la Alfalfa. La flor posee una membrana sobre el estigma que impide la fecundación con polen de la misma flor. Esta barrera solo puede ser rasgada por los insectos polinizadores quienes traen polen de otras plantas.( João Carlos Bespalhok).
18.4 Agentes polinizadores Los granos de polen son inertes y su transporte lo realizan agentes externos abióticos como agua y viento o bióticos como animales diversos. Las plantas han evolucionado de manera que han logrado desarrollar formas y mecanismos que faciliten la polinización tanto biótica como abiótica. • Polinización Hidrófila (por medio del agua) Algunas Angiospermas hidrófitas como Potamogeton striatus y P.pusillus, Najas marina (Monocotiledóneas) Ceratophyllum demersum (Dicotiledónea) ,habitantes de humedales, tienen flores masculinas y femeninas sumergidas, en ese caso la reproducción también está adaptada y la polinización es hidrófila. En todos los casos el polen es llevado por el agua hasta los estigmas, y a pesar de que las plantas no están emparentadas, el polen tiene aspecto similar: es filamentoso, flexible, pegajoso. Las flores de Zostera marina, planta que vive sumergida en el mar, las flores presentan granos de polen filiformes de más de 2 mm de longitud, y las unidades se adhieren entre sí formando copos. En otras especies con polen esférico, las unidades van embebidas en largas tiras de mucílago. Su forma facilita el contacto y la adherencia a los largos estigmas. (González Ana et al.). Figura 27. Zostera marina, planta sumergida y polen y estigma
http://www.laisladelsur.com
Imagen de Cox 1993
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Vallisneria (monocotiledónea acuática.) presenta flores flotantes, las femeninas permanecen fijas a la planta por un largo pedúnculo floral; las flores masculinas se desprenden, flotan, y son llevadas por la corriente del agua o el viento hasta las flores femeninas.(Gonzalez Ana et al). Figura 28.Vallisneria spiralis (monocotiledónea) - polinización hidrófila
Fuente: http://www.biologia.edu.ar/botanica/tema23/poliniza-abierta.htm
• Polinización Anemófila (por medio del viento) La polinización por medio del viento se presenta en la mayoría de las Gimnospermas. Es más frecuente en Monocotiledóneas (Gramíneas, Cyperáceas, Palmeras) que en Dicotiledóneas (Salicáceas, Chenopodiáceas, Fagáceas). El transporte de polen no está orientado, por lo cual se producen grandes cantidades de polen, de tamaño pequeño, superficie lisa (facilita la dispersión), y seco, que garanticen que por lo menos un porcentaje logrará polinizar otras flores. En Pinus (Gimnosperma) los granos de polen tienen sacos aeríferos para aumentar la flotabilidad, llegan directamente a los óvulos, que presentan en el micrópilo gotas receptoras de polen, mucilaginosas o azucaradas. En ese momento, las escamas y las brácteas de la inflorescencia están bien separadas. Cuando la gota de fluído micropilar se evapora, el polen se hunde y queda sobre la nucela. Después de la polinización las escamas se juntan, protegiendo a los óvulos entre ellas. Poco después que el polen queda en contacto con la nucela, germina, emitiendo el tubo polínico.(González Ana et al). En Angiospermas las flores anemófilas carecen de medios de atracción (perianto, olor, néctar), suelen ser unisexuales, las masculinas más numerosas que las femeninas, que generalmente son uniovuladas.
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Los estilos y estigmas están agrandados para facilitar la captación del polen, como se puede ver en las flores de Poterium sanguisorba; la expulsión del polen está facilitada por la movilidad de los filamentos estaminales (Gramíneas) o del eje de la inflorescencia (gimnospermas, Quercus, Alnus). La floración es temprana, las flores aparecen antes que el follaje que puede obstaculizar la captación del polen. Las plantas están reunidas en poblaciones grandes y en lugares expuestos al viento (llanuras o estratos superiores de los bosques). No hay plantas anemófilas en las selvas tropicales ricas en animales antófilos. La anemofilia tiene baja eficiencia. Se calcula que un pie de maíz produce 50 millones de granos de polen; para fecundar los óvulos de un pie son necesarios sólo 1000 granos.(González Ana et al). Figura 29. Polinización Anemófila
• Polinización Zoófila (Por medio de animales) En la polinización biótica intervienen insectos, pájaros y murciélagos, siendo los dos primeros los agentes bióticos más importantes. En muchos hábitats, polinizadores y flores han evolucionado juntos, creando relaciones de mutualismo. La polinización entomófila es realizada por diferentes tipos de insectos como Coleópteros, Moscas, Himenópteros y Lepidópteros. Las flores que son polinizadas por Coleópteros se denominan Cantarófilas. Son las más primitivas y son flores poliníferas, es decir que tienen muchos estambres que producen polen en exceso y lo ofrecen como recompensa a los polinizadores.
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Son generalmente flores rotáceas, fácilmente accesibles, robustas, verdosas o blanquecinas, fuertemente olorosas. Son frecuentes en las Magnoliaceae, Ranunculaceae, Nymphaeaceae. Probablemente las Rosaceae, Papaveraceae y Dilleniaceae (Paeonia) son secundariamente poliándricas y poliníferas.Los coleópteros, con sus fuertes mandíbulas masticadoras, además de comer las anteras, destruyen frecuentemente diversas partes florales, por esta razón los óvulos de las flores cantarófilas están profundamente ubicados.(González Ana et al). Figura 30.Flores (Ranunculaceae)
cantarófilas:
Nuphar
(Nymphaeaceae)
y
Hepatica
americana
Foto de Raven. 2003
La inflorescencia de muchas Aráceas, cuando está lista para la polinización, sufre un brusco aumento de temperatura, gracias a la oxidación de sustancias de reserva acumuladas (en Philodendron scandens, planta nativa de América del Norte, la inflorescencia alcanza 46° cuando la temperatura ambiente es de 4°). Los coleópteros que visitan estas plantas son atraídos por el olor desagradable, similar a la carne en putrefacción, provocado por sustancias químicas como aminas e indoles, que se dispersan más eficientemente con el calor.(González Ana et al). Las flores polinizadas por Abejas y Avispas (Himenopteros), se denominan melitófilas y atraen a los insectos con la secreción de nectar. Así, las flores nectaríferas tienen un costo energético menor para la planta, por que el néctar constituye un ahorro de polen. Estas, atraen a las abejas por una combinación de forma, olor y color. Las corolas de estas flores son generalmente amariposadas, labiadas o en fauce, con superficies para que la abeja se pose, con guías (manchas o líneas coloreadas) que señalan dónde se encuentra el néctar. Las flores producen sustancias aromáticas en los osmóforos, que se encuentran en la corola (Citrus), corona (Narcissus) u otros órganos florales. 98
Figura 31. Flores Melitófilas
Foto: Raven. 2003.
También existen otras recompensas, las llamadas "flores de aceite" ofrecen aceites o cuerpos grasos secretados o almacenados en glándulas especiales llamadas elaióforos. Las flores de la familia Malpighiaceae, y de varias especies de orquídeas presentan esta característica, que atrae a determinados grupos de himenópteros (abejas Antophoridae).)González Ana et al.).
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19.Lección 19. Plantas dioicas Las especies dioicas son plantas bisexuales. Cada especie presenta individuos con flores masculinas e individuos con flores femeninas, lo que determina la alogamia obligada. Esto significa que las dos estructuras reproductoras se hallan en plantas diferentes (plantas estaminadas y plantas pistiladas). Muchas plantas dioicas presentan flores relativamente pequeñas, blancas, amarillentas o verdosas, de morfología no especializada, que atraen una variedad de insectos pequeños, especialmente abejas pequeñas de las familias Halictidae, Megachilidae y Meliponini. La dioecia o diferenciación sexual es claramente un mecanismo de fecundación cruzada que impide la autofecundación, pero no impide el apareamiento entre hermanos o formas más estrechas de consanguinidad. (Allard, 1967). A menudo la dioecia está asociada con plantas de gran tamaño y polinización abiótica como el sauce (Salix spp). Es rara en plantas con flores grandes, especializadas, con morfología compleja. Entre las plantas cultivadas las especies dioicas mas importantes son: la palmera africana, cáñamo, lúpulo, espinaca, papayo, la marihuana, álamo y el espárrago. Figura 32. Dioecia
Fuente: http://www.biologia.edu.ar/botanica/tema23/tema23-6dioecia.htm Dibujos: Flora de Entre Ríos
La determinación del sexo en este tipo de plantas crea serios problemas, especialmente en especies donde el dioecismo y monoecismo están juntos; la condición de poligamia ocurre cuando los dos sexos pueden estar en diferentes plantas, en la misma planta o puede estar representado por flores hermafroditas (Chattopadhyay & Sharma, 1991),(Madriz R. et al). 100
Tabla 9. Clasificación de algunas plantas según el tipo de fecundación.
Tipo de Fecundación
Especies
Autofecundación – Normalmente autogámas
Tomate, Lechuga, Arroz, Soya, Café, Trigo, Cebada, Fríjol, Arveja Alfalfa, A. Autofecundación – Prevalentemente Algodón, Ají, Pimentón, autógamas (5- 20% de cruzamiento natural) Berenjena. Fecundación Cruzada – Prevalentemente Sorgo alógamas (20 – 70% de cruzamiento natural) Fecundación Cruzada –Normalmente Cebolla, Zapallo, Melon, Maíz, Alógamas (> 70% de cruzamiento natural) Yuca, Girasol, Cacao, Zanahoria, Repollo, Coliflor, Esparrago, Centeno, Papa, Uva, Ajo, Ray grass .
19.1 Presentación secundaria de polen. Es la transferencia del polen de las anteras a otra estructura de donde es recogida por los polinizadores. Es virtualmente universal en las Compositae y es común en las Leguminosae y Papilionoideae. Por ejemplo en Pisum sativum (arveja) el estilo lleva sobre la cara adaxial un conjunto de pelos que semejan un cepillo. La quilla y el estilo son reflejos. Con la visita de un polinizador el estilo baja, y al retomar su posición recoge polen sobre el cepillo desde el cual lo recoge el polinizador.(González Ana et al). Figura 33. Pisum sativum, arveja, flor con presentación secundaria del polen
Los sistemas reproductivos como la dioecia y la monoecia han sido considerados de origen secundario. 101
Vestigios de órganos sexuales en individuos unisexuales, indican su origen vía hermafroditismo (Richards, 1986). La unisexualidad es así causada por la supresión de un sexo en una flor. Las bases genéticas de la determinación del sexo así como su expresión pueden ser controladas por cromosomas sexuales (Lloyd, 1975; Chattopadhyay y Sharma, 1991). Sin embargo, el control genético de la expresión sexual no parece ser suficientemente fuerte para vencer totalmente los efectos y modificaciones de la expresión sexual por el ambiente (Lloyd, 1975). Recientemente, muchas hipótesis sobre la evolución de la dioecia en relación a la ecología de la polinización o dispersión han sido planteadas, presentando usualmente dos partes: una correlación y un mecanismo (Thomson y Brunet, 1990). Las correlaciones son filogenéticas: la dioecia es más frecuente en plantas leñosas, con frutos carnosos dispersados por vertebrados frugívoros y poseen flores pequeñas e incospicuas, polinizadas por insectos no especializados o por viento. Los mecanismos involucran circunstancias ecológicas que favorecen a la dioecia a través de vías específicas como los modelos de selección sexual y la teoría de asignación de recursos. Bawa (1980) comparte esta idea y establece que la evolución de la dioecia no solo se debe a la presión selectiva que favorece la fertilización cruzada, sino que factores ecológicos como la asignación de recursos para las funciones masculinas y femeninas, selección sexual, dispersión de semillas, polinización y depredación pueden influir en la evolución de la dioecia.(Madriz R. et al).
19.2 Evolución de la dioecia La mayoría de las angiospermas son hermafroditas. Sin embargo en numerosos linajes han evolucionado otros sistemas sexuales (andromonoecia, ginomonoecia, monoecia, androdioecia, ginodioecia, subdioecia y dioecia. (Richards, 1997). La presencia de dioecia y monoecia, en términos generales, tiene un fuerte componente filogenético y está asociada a determinados grupos taxonómicos más que a factores selectivos locales de floras específicas, que desde luego, también actúan de forma importante, pero en segundo lugar (Renner & Ricklefs, 1995; Richards, 1997; Freeman et al., 1997). La ginodioecia se define como un a modalidad de poligamia en que unos individuos presentan flores hermafroditas, mientras que otros de la misma especie y población las tienen femeninas. Es frecuente en las labiadas. 102
La subdioecia se presenta en poblaciones de individuos en donde prima la monoecia pero puede haber una ocurrencia alta de individuos que se comporten como exclusivamente femeninos. En la polígamo dioecia las hermafroditas.
plantas dioicas presentan algunas flores
En la dioecia críptica las plantas presentan flores hermafroditas en donde una de las funciones está suprimida, actuando como flores unisexuales. Para evaluar los sistemas de reproducción, cruzamiento o de polinización de una determinada especie se considera fundamental conocer la historia y peculiaridades evolutivas de los caracteres reproductivos del género y/o familia en cuestión. Principio universalmente conocido como “determinismo filogenético” que se refiere a que la historia evolutiva de un taxon, está condicionando la respuesta a la selección (Webb, 1984; Hamrick & Godt, 1996; Gitzendanner & Soltis, 2000). Según esto, se debe “reconocer el verdadero significado biológico de las diferencias estructurales reproductivas” considerando al mismo tiempo: a) la aparición en otros taxones geográficamente lejanos, b) las posibles adaptaciones específicas a fuerzas selectivas ambientales y c) las consecuencias genéticas a niveles de población natural (Webb, 1984; Karron et al.,1988; Hamrick & Godt, 1996; Gitzendanner & Soltis, 2000). El origen de la dioecia en las Angiospermas es diverso, se manifiesta en taxones no relacionados y como consecuencia de presiones selectivas diferentes, incluso con situaciones donde las expresiones sexuales varían constantemente en el tiempo. La hipótesis generalizada de que la causa principal que provoca la manifestación de dioecia es la de evitar la auto-fecundación para favorecer la fecundación cruzada o xenogamia, no es la única, hay autores que no sólo son partidarios de esta idea, sino que también consideran que hay fuerzas selectivas que favorecen especialmente la especialización sexual para promocionar y favorecer las ventajas inherentes a cada uno de los morfos masculino y femenino (Webb, 1979; Bawa, 1980; Renner & Ricklefs, 1995; Freeman et al., 1997; Richards, 1997). Según esto, el acceso a la dioecia desde el hermafroditismo se puede producir según tres vías evolutivas diferentes : 1º) vía monoecia 2º) vía ginodioecia inestable 3º) Desde el heteromorfismo asociado a sistemas de auto-incompatibilidad heteromórficos (Ganders, 1979; Renner & Ricklefs, 1995; Freeman et al., 1997; Sakai et al., 1997). 103
El acceso vía monoecia, se caracteriza por la presencia generalizada de flores unisexuales frecuentemente con síndromes de anemofilia, donde la presencia de las flores hermafroditas es ya escasa u ocasional. Presenta una gran labilidad sexual pudiendo coexistir formas exclusivamente masculinas, exclusivamente femeninas e intermedias. El acceso vía ginodioecia inestable suele estar fijado genéticamente (McCauley & Brock, 1980; McCauley, 1998; Maurice et al.,1994; Haan et al., 1997), aunque presenta formas intermedias de gran labilidad con manifestaciones incluso de androdioecia que suelen estar correlacionadas a factores ecológicos diferentes con incluso tipos distintos de polinización.(Pérez de P. Julia. 2004.). La vía de acceso desde el heteromorfismo es la más rara y pueden haber asociaciones de heterostilia y ginodioecia. Los mecanismos reproductivos que favorecen la dioecia o diferenciación sexual en individuos diferentes para favorecer la xenogamia y con ello aumentar la diversidad genética, siguen constituyendo una de las principales estrategias para incrementar la biodiversidad en las poblaciones naturales de algunas especies, sobre todo, después de un evento colonizador en ecosistemas aislados. Se puede decir también que esta estrategia reproductiva es frecuente en hábitats tropicales y de islas oceánicas con altos porcentajes de dioecia y por tanto especialmente común en la floras endémicas.(Pérez de P. Julia. 2004.). Dentro de una misma especie y a nivel de poblaciones naturales, la ratio de sexos o número de individuos masculinos en relación a los femeninos, puede variar en el tiempo y en el espacio, ya que los individuos masculinos por lo general suelen ser más tolerantes a los hábitats inestables que los femeninos, que tienen que asegurar la progenie. Hay incluso especies que dentro de una misma población con manifestaciones de dioecia e individuos unisexuales, pueden albergar también individuos monoicos de inflorescencias uni o bisexuales.(Pérez de P. Julia. 2004.).
La andromonoecia, presencia de flores masculinas (estaminadas) y bisexuales (hermafroditas) en un mismo individuo, es un sistema sexual poco común, presente en aproximadamente 2% de las angiospermas (Yamplosky & Yamplosky 1922) y común en especies polinizadas por animales y por el viento (Bawa & Beach 1981; Bertin 1982; Primack & Lloyd 1980). Una de las hipótesis más aceptadas para explicar la evolución de la andromonoecia es aquella que señala que se trata de un mecanismo para maximizar los recursos asignados a las funciones reproductivas (Diggle 1993). De aquí, se ha reportado que las flores estaminadas requieren menor 104
asignación de recursos que las flores perfectas (Schlessman et al. 2004) y se ha postulado que las plantas hermafroditas, que frecuentemente se autofertilizan, invierten menos en estructuras florales para atraer polinizadores que las especies que regularmente se entrecruzan (Charlesworth & Charlesworth 1987; Lloyd 1987). De acuerdo a los modelos de asignación de recursos, la andromonoecia se presenta en plantas donde el número óptimo de flores funcionalmente estaminadas es mayor que el número de flores que puede producir frutos y el costo de madurar un fruto es alto.( Hokche D. Omaira et al.2004). Así, la evolución hacia uno u otro tipo sexual dependerán en gran parte de las condiciones ambientales en que se haya desarrollado una determinada especie y de los mecanismos que haya tenido que adaptar para asegurar su supervivencia y perpetuación de su descendencia. (Traveset Anna.2004).
19.3 Dioecia y polinización Muchos investigadores han formulado teorías evolutivas que sugieren que plantas que han evolucionado en hábitats aislados con pocos polinizadores han podido desde el hermafroditismo desarrollar tipos dioicos capaces de perpetuarse por fecundación mediante polinización anemófila. Estas hipótesis están basadas en la idea de que la anemofilia implica: a) independencia de los polinizadores, b) en algunas islas, los fuertes vientos hacen desfavorable la polinización por animales, y c) una mayor dispersión del polen y beneficios de la xenogamia. Lo que parece evidente, por el número creciente de estudios que lo demuestran, es que las plantas, aún con síndrome de polinización entomófila, pueden adoptar una combinación de polinización por viento y por insectos, especialmente en condiciones de limitación de polinizadores.8 La dioecia, en particular, raramente representa más del 3% de la flora en áreas continentales, mientras que a menudo sobrepasa el 10% de las floras insulares (Eliasson 1995). Los recientes estudios de Sakai et al.(1995a,b) en las islas Hawai muestran que de las 971 especies nativas existentes, un 14.7% son dioicas mientras que un 20.7% son sexualmente dimórficas (las más altas proporciones de todas las floras estudiadas hasta la fecha). De las sexualmente dimórficas, más de la mitad provienen de linajes colonizadores que ya eran dimórficos al llegar a las islas, y aproximadamente un tercio ha evolucionado de forma autóctona en estas islas. Estos autores encuentran también que el dimorfismo sexual está asociado significativamente a la leñosidad y a la producción de flores verdes de pequeño tamaño, que las especies anemófilas están supra -representadas entre las especies leñosas dioicas, y que entre las especies colonizadoras, a nivel genérico, el dimorfismo sexual está asociado a la producción de frutos carnosos (Sakai et al. 1995a,b). (Traveset Anna. 2004). 105
20. Lección 20. Incompatibilidad 20.1 Incompatibilidad bioquímica y genética La especiación se define como el Origen de dos o más especies a partir de un ancestro común, mediante la evolución de barreras biológicas que restringen el flujo de genes entre las poblaciones ancestrales.3 El concepto más adecuado para describir a una especie es el conocido como concepto biológico de especie, que la define como una población o serie de poblaciones de organismos entre los cuales ocurre un flujo genético libre en condiciones naturales, es decir, que los individuos de esa (s) población (es) pueden cruzarse libremente y tener progenie fértil en las condiciones del ambiente en el que viven. Por contraposición, los individuos de una especie no pueden cruzarse libremente con los de otra.(El origen de las especies. http://omega.ilce.edu.mx).. Las especies están subdivididas en la naturaleza en poblaciones más o menos bien definidas en las que los individuos se cruzan. A medida que la distribución de las especies es más amplia, las poblaciones de una especie se encuentran con una mayor variedad de ambientes. Esta diversidad propicia que las mutaciones que se produzcan tengan mayor probabilidad de ser seleccionadas favorablemente y fijadas en cada condición, de manera que la diversidad genética de las poblaciones aumenta con su área de distribución. Si el flujo genético entre las diferentes poblaciones es pobre, la divergencia entre los contingentes genéticos de las poblaciones puede aumentar lo suficiente como para crear barreras al cruzamiento o a la fertilidad entre ellas, incluso si llegasen a ponerse en contacto nuevamente por algún cambio ambiental. La reducción de la fertilidad se origina por varias causas, entre ellas la incompatibilidad genética, las diferencias en comportamiento, el aislamiento temporal por diferencias en épocas reproductivas, etc. Las barreras al cruzamiento y el aislamiento reproductivo no ocurren súbitamente ni en un solo individuo; son el producto de cambios acumulativos que toman mucho tiempo y que ocurren en toda una población. (El origen de las especies. http://omega.ilce.edu.mx).. Los mecanismos de aislamiento reproductivo corresponden a Barreras biológicas que previenen el intercambio de genes entre dos o más poblaciones y pueden ser de dos tipos: •
Precigóticas (mecanismos de aislamiento precigótico o precópula): Previenen o reducen la probabilidad de formar cigotos híbridos y pueden darse varias situaciones a saber: 106
a) Las parejas potenciales (aunque en simpatría) no se encuentran en aislamiento temporal (por estaciones o período del día): Los miembros de una población alcanzan la madurez sexual en momentos distintos (diferentes estaciones o diferentes horas del día) Figura 34.Aislamiento temporal: Tiempos de floración y fructificación de especies simpátricas de Miconia en Myconia spp
Fuente:http://docencia.udea.edu.co/cen/mecanismosevolucion/pdf_files/especiacion/2.barreras%20al%20flujo%20genico.pdf
b) Aislamiento del hábitat: Tiene lugar cuando en respuesta a cambios morfológicos, fisiológicos o de hábitos producidos como consecuencia de variaciones genéticas, una parte de la población puede diferenciarse del resto, pasando a ocupar distintos hábitats (biotopos) en el mismo territorio.(teorías evolutivas. http://three.fsphost.com). c) También puede ser que en un momento determinado una población sea dividida geográficamente por un evento atípico, como la desviación de un río, una erupción volcánica, etc. Después de mucho tiempo de aislamiento geográfico, puede surgir el aislamiento genético, originando especies distintas. d) Las parejas potenciales se encuentran pero no se reproducen debido a diferentes dinámicas de selección sexual como la Autofertilizacion. e) Ocurre la polinización pero no hay transferencia de los gametos del macho (aislamiento mecánico). Por ejemplo, incompatibilidad en el acoplamiento entre la flor y su polinizador. 107
f) Hay transferencia de gametos, pero el huevo no es fertilizado (incompatibilidad gamética), las gametas masculinas son inviables en los conductos sexuales femeninos. (Futuyma,1998).3 •
Postcigóticas: Reducen la supervivencia o la reproducción de organismos híbridos. a) El híbrido F1 tiene viabilidad reducida (inviabilidad del híbrido).Baja supervivencia en los estados embrionarios. Este mecanismo genético está coordinado de tal manera que una célula o un sistema multicelular no puede funcionar normalmente si se introducen en los dos conjuntos de informaciones extrañas. Cuanto más cercanas sean las informaciones genéticas , más será posible que se avance en las etapas de desarrollo embrionario. (Teorías evolutivas. http://three.fsphost.com ). b) El híbrido F1 es viable, pero tiene fertilidad reducida (esterilidad del híbrido). c) El huevo fecundado se desarrolla en un adulto sano, pero estéril, hay segregación de gametos aneuploides durante la meiosis. Es provocada por diferentes asociaciones de genes en los cromosomas de los progenitores. d) Viabilidad o fertilidad reducida en F2 (Futuyma,1998).( http://docencia.udea.edu.co).
o
de
retrocruces.
Ver: Barreras genéticas y especiación Los eventos de interacción específicos se producen célula a célula cuando ocurre la polinización y fecundación. El estigma es eficiente para discriminar polen de otras especies, evitando así la fecundación interespecífica. Los mecanismos de que se valen las plantas para evitar la polinización interespecífica corresponden a reacciones de incompatibilidad entre el polen y el pistilo, de modo que muchas plantas logran discriminar entre el polen propio y el foráneo o a barreras genéticas para la autofertilización denominadas como autoincompatibilidad, la cual específicamente, interrumpe la vía del desarrollo del polen propio en el pistilo. La importancia de la incompatibilidad es que hace que las plantas tengan una polinización cruzada forzada, lo cual evita la consanguinidad de las especies. Se distinguen dos tipos de incompatibilidad: el heteromórfico y el homomórfico: 108
La incompatibilidad en el sistema heteromórfico, se basa en diferencias morfológicas de las flores; como ser longistilas o brevistilas, este carácter en el caso de la especie Primula vulgaris es controlado por un solo locus con dos alelos S y s, los cuales condicionan dos genotipos Ss (brevistilas) y ss (longistilas), el genotipo SS es deletéreo. Los únicos cruzamientos totalmente compatibles son brevistilas x longistilas (Ss x ss) o Longistilas x brevistilas (ss x Ss). Ambos cruzamientos segregan para dar una descendencia con igual número de plantas longistilas y brevistilas. Ss x ss ½ Ss + ½ ss
ss x Ss ½ Ss + ½ ss
Los granos de polen que contienen los alelos S o s, procedentes de una planta brevistila (Ss) son compatibles sobre estigmas de una planta longistila (ss) e igualmente, el polen suministrado por una planta longistila es compatible sobre una planta brevistilas (Ss). En la mayoría de las especies estudiadas se ha encontrado que un solo locus (S) multialélico controla genéticamente la autopolinización. La respuesta de autoincompatibilidad es regulada durante el desarrollo de la flor y es funcional frecuentemente 1 a 2 días antes de la antesis. El rechazo del gameto masculino, por mecanismos de incompatibilidad ocurre tanto en el estigma como en las paredes del estilo. En especies que presentan mecanismos que reducen la autopolinización se ha determinado una baja retención de granos en el estigma, una reducción en la germinación del polen y en algunos casos también la muerte. La autoincompatibilidad puede actuar en el estigma, estilo u ovario. Así, por ejemplo en Tectona grandis, la autoincompatibilidad gametofítica puede ocurrir con algunos tubos polínicos en el estilo, pero, la mayor parte es inhibida en el ovario. El cruzamiento interespecífico de diferentes Caspicum logró como resultado diversas manifestaciones de incompatibilidad entre especies de flor blanca y flor púrpura, con obstáculos tan variables como barreras en el ovario, estilo o estigma u otras restricciones.( http://www.lasemilla.ucv.cl). Figura 35.Mecanismos de incompatibilidad en Caspicum spp
109
Las flechas indican la dirección de la polinización hacia el parental femenino. (__) Línea completa indica penetración del tubo polínico en la célula huevo (_.._) Línea segmentada indica barreras en el ovario. () Línea separada indica barreras en el estilo. (...) Línea punteada indica barreras en el estigma.
Fuente: http://www.lasemilla.ucv.cl/htm/gen09.html
La incompatibilidad en el sistema homomórfico, no se basa en las diferencias morfológicas, sino en la constitución genotípica de la planta, especialmente en el genotipo del gametofito o esporofito. En el sistema homomórfico se distinguen dos tipos de incompatibilidad: el gametofítico y el esporofítico.
20.2 Incompatibilidad gametofítica La incompatibilidad de las especies se puede clasificar de acuerdo al fenotipo al cual sea incompatible el polen, pudiendo ser gametofítica o esporofítica. Además, se presentan diferencias en el tiempo, que media en la señal que induce a la reacción.( http://www.lasemilla.ucv.cl). En la incompatibilidad genética la autofecundación y la fecundación entre parientes se encuentra impedida por la presencia de genes de incompatibilidad genética., de manera que ocurre incompatibilidad entre el polen y el pistilo cuando se comparten los mismos alelos de incompatibilidad. Es denominada también como incompatibilidad gametofítica, puesto que depende de la constitución genética del gametofito masculino. El polen puede germinar, pero el crecimiento del tubo polínico es detenido después de su penetración en el estilo. Es común en leguminosas, gramíneas, crucíferas y solanáceas.(González Ana et al.). 110
La incompatibilidad del grano de polen es determinada por un gen haploide complementario que es transmitido a cada microspora después de la meiosis, en general la germinación y el crecimiento del tubo polínico son normales, pero a cierta distancia del estilo es inhibido el crecimiento.( http://www.la semilla.ucv.cl). Según la definición de Lundquist (1964), la autoincompatibilidad es "la inhabilidad de una planta hermafrodita para producir zigotos después de la Autopolinización. Los sistemas de autoincompatibilidad se pueden clasificar según el tiempo de acción génica, la asociación con polimorfismo sexual, el sitio de expresión génica y la influencia de series polialélicas.( Saborío M,Ca Costa P.1992). El tipo más común de control genético de la autoincompatibilidad incluye el locus S con alelos múltiples. (S1, S2, S3...Sn). El rechazo del polen en el pistilo ocurre cuando los productos de los alelos S en el estigma, estilo u ovario son también expresados por el grano de polen o por el tubo polínico. El locus S contiene un gen que codifica glicoproteínas con actividad ribonucleasa en los pistilos y un gen desconocido que controla la función del polen. En el sistema gametofítico no existe dominancia de los alelos S, o sea, las progenies son heterocigotos para ese locus (Gaude y Dumas ,1987. Citado por Saborío M.et al.1992.). Si un grano de polen contiene por ejemplo, el alelo S1, este no crecerá normalmente en el estilo diploide de una planta portadora del mismo alelo. Así, si una planta S1 S2 es polinizada por su propio polen o por el de otra planta S1 S2, ningún grano de polen alcanzará a los óvulos a tiempo para fecundar. El sistema gametofítico presenta tres tipos incompatibilidad: • Incompatibilidad completa; la cual ocurre entre las plantas con igual genotipo de incompatibilidad, incluyendo la autopolinización. Ejemplo: S1 S2 x S1 S2
S1 S1 x S1 S1
100% incompatible
100% Incompatible
O la polinización de un homocigoto cualquiera como padre con un heterocigoto como madre que tenga un alelo en común con el homocigoto S1 S2 x S1 S1 111
100% incompatible •
Incompatibilidad incompleta: la mitad del polen es compatible, es decir que las plantas tienen un alelo de incompatibilidad en común S1 S2 x S1 S3 S1 S3 + S2 S3
•
Incompatibilidad completa; cuando las plantas tienen alelos diferentes; ejemplo S1 S2 x S3 S4 S1 S3 + S2 S3 +
S1 S4 + S2 S4
Según Yaquab (1967), el sistema de alelos múltiples controlado gametofíticamente es el más común en términos de número de familias y especies en que está presente y ha sido determinado en especies de importancia económica como Nicotiana, Solanum, Caspicum y 6 Lycopersicon. En estas especies se da la inhibición de la germinación del tubo polínico.
20.3 Incompatibilidad esporofítica La autoincompatibilidad esporofítica es de tipo bioquímico, ya que depende de la pared del grano de polen, que es de origen esporofítico. Para que el grano de polen pueda germinar, debe adherirse al estigma, lo que ocurre solamente cuando hay compatibilidad entre las proteínas de reconocimiento que se encuentran en la esporodermis, y los receptores que existen en el estigma. De este modo, el fenotipo del polen es determinado por la constitución genética del esporófito o de la planta diploide sobre la cual el polen nace. La autoincompatibilidad esporofítica está presente en Crucíferas, y su estado crítico se produce durante las primeras horas tras la polinización. En este caso la superficie estigmática consiste en células papiladas, cubiertas con una cutícula que actuaría como barrera para prevenir la penetración del tubo polínico. La principal barrera de autoincompatibilidad es que el esporófito no se reconoce a sí mismo.( http://www.lasemilla.ucv.cl). El análisis molecular de la interacción polen pistilo se ha focalizado en genes que codifican glicoproteínas y que además, participarían en el 112
reconocimiento de la autopolinización en al menos dos familias de plantas (Solanáceas y Brassicas). Se han determinado diferencias en los sitios de acción o síntesis de las glicoproteínas.( http://www.lasemilla.ucv.cl). El estigma de las flores secreta diversas sustancias que cumplen funciones específicas, como son la atracción de polinizadores, adhesión y reconocimiento del polen crecimiento del tubo polínico y penetración del tubo polínico dentro de los óvulos. En las flores que presentan nectarios, el néctar está constituido por azúcares, proteínas, aminoácidos, lípidos, ácidos orgánicos, antioxidantes, y una variedad de otras sustancias que incluyen fenoles y alcaloides. Las sustancias mas fácilmente removidas de la superficie estigmática corresponden a compuestos lipídicos y fenólicos (antocianinas, flavonoides, ácido cinámico) y los carbohidratos presentes pueden estar unidos a compuestos fenólicos o estar ausentes. Los lípidos del fluido estigmático posiblemente corresponden a compuestos cerosos de la epidermis, cuya función puede ser reducir la pérdida de agua, de manera que se evite la deshidratación del polen y se provea un medio adecuado para la germinación del polen. Los fenoles tienen una importancia significativa ya que protegen el estigma de los insectos y enfermedades, permiten la interacción con sustancias de crecimiento que regulan la germinación del polen y juegan un rol definitivo en la especificidad para reconocerlo. Todas las sustancias se producen de acuerdo a la codificación genética de las plantas, en donde ésta, determina el proceso de trascripción de proteínas. De manera que el tipo de sustancias que se produzcan corresponderán a la información genética específica de cada especie. Los fenoles y flavonoides funcionan como señales de reconocimiento, importantes en el reconocimiento no solo del polen por el estigma sino también el que ocurre entre la flor y sus polinizadores naturales y serán específicos para cada especie, tanto más dependiendo de si la planta admite solo a determinada especie como polinizador. Por otra parte, el polen también presenta sustancias específicas y su metabolismo está genéticamente gobernado. La cubierta del polen es la base para el contacto y el inicio de las señales de reconocimiento para la adhesión y posterior germinación al entrar en contacto con el estigma. Esta cubierta está formada por dos capas, una interior de celulosa y pectina y una exterior de exina altamente tallada.(Peñaloza P.2001.). En el ultimo estado de de desarrollo del polen, la capa tapetal (capa parietal mas interna de la antera) se desintegra y el contenido celular es depositado sobre la superficie del grano de polen formando una capa de composición 113
muy heterogénea que incluye ceras, lípidos, moléculas aromáticas pequeñas y proteínas. Los lípidos de la cubierta del polen participan en el reconocimiento célula a célula, necesario para la hidratación del polen en le estigma. Dentro de las moléculas aromáticas se encuentran fitohormonas, carotenoides, ácidos fenólicos y flavonoides. Estos últimos son de origen esporofítico, sintetizados en el tapete, liberados en el lóculo y modificados por el desarrollo del gametofito.(Peñaloza P.2001.). Muchos de los atributos citológicos del polen se basan en las diferencias de los dos grupos presentes en las angiospermas. Los pólenes binucleados se asocian con los mecanismos de incompatibilidad que guían la inhibición del tubo polínico en el estilo. Los trinucleados no logran enlongar el tubo polínico y generalmente inhiben su propia germinación.(Peñaloza P. 2001.). Figura 36. Autoincompatibilidad esporofítica y gametofítica
Un ejemplo de incompatibilidad esporofítica se presenta en el Cacao (Teobroma Cacao), la cual esta gobernada por un locus simple S con alelos múltiples con el siguiente orden de dominancia: S1 > S2 = S3 > S4 > S5. Además se ha comprobado que la reacción de incompatibilidad no se produce en el estilo, como sucede en la mayoría de las otras especies, sino dentro del saco embrionario. Es esta especie también se presenta dos locis simples (A y B) con dominancia completa que actúan como precursores necesarios para que se presente la incompatibilidad. Algunas reaciones de incompatibilidad en cruzamientos entre varios genotipos de cacao son los siguientes: S1 S2 x S1 S2
S1 S2 x S1 S3
S1 S2 x S3 S4
S1S1+S2S2+S1S2+S2S2
S1S1+S2S1+S1S3+S2 S3
S1S3+S2S3+S1S4+S2S4
25% incompatible
25% incompatible
100% compatible 114
21. Lección 21. Polinización Cruzada Se denomina Polinización cruzada a la transferencia de polen entre plantas de diferente constitución genética, donde los gametos no son genéticamente idénticos a los gametos de los óvulos. Este proceso es muy ventajoso, por que aumenta el grado de variabilidad y vigor de las especies, posibilita la formación de nuevas combinaciones de factores hereditarios y favorece la producción de semillas capaces de germinar. A través de la selección natural, las plantas realizan adaptaciones estructurales complejas a fin de facilitar la polinización cruzada por medio de diferentes agentes polinizadores. Así, las flores pueden ser de colores vistosos que atraen determinado tipo de insectos o segregar mieles azucaradas. Algunas han desarrollado formas especiales de las estructuras florales que facilitan el ingreso del insecto que portará el polen a otra flor. Los agentes polinizadores son muy variados, destacando en orden de importancia: viento, insectos, aves, agua y murciélagos. Sin embargo, desde el punto de vista agrícola, los insectos sociales tienen gran importancia en la polinización. Dentro de la polinización entomófila, la abeja es el insecto más eficiente y manejable, debido a que es el principal transportador de polen. Las abejas contribuyen con más del 90% de la polinización cruzada. Por otra parte, la polinización hidrófila (por el agua) ocurre en pequeña escala y la anemófila (por el viento) ocurre cuando el polen deja libre sustancias adherentes que le permiten cruzarse con otras flores. Debido a que hay granos de polen pesados y unidos a secreciones viscosas que impiden que el viento los arrastre, son requeridos medios de transporte más eficientes como son los insectos.
21.1 Coevolución Según Darwin, las flores coevolucionaron junto con sus polinizadores. A través de sus experimentaciones con plantas de arveja, observó que había flores de color llamativo que atraían a las abejas, mientras que otras plantas poseían flores desprovistas de colores vistosos, que no atraían insectos y que en consecuencia debían ser polinizadas por otros agentes como el viento y el agua. En su obra “El Origen”, puede leerse textualmente: Diversas plantas producen habitualmente dos clases de flores: Unas abiertas y coloreadas de tal modo que atraigan a los insectos, y otras cerradas, no coloreadas, desprovistas de néctar y que nunca son visitadas por los insectos. Por consiguiente podemos llegar a la conclusión de que, si los insectos no se hubiesen desarrollado sobre la faz de la Tierra, nuestras plantas no se hubieran cubierto de bellas flores y hubieran producido solamente flores tan pobres como las que vemos en el abeto, el roble, el nogal y el fresno, y en las 115
gramíneas, espinacas, acederas, y ortigas, que se fecundan por la acción del viento." (El Origen de las Especies. Capítulo VI. Pág. 213). Sus numerosas observaciones lo llevaron a formular la teoría de que por selección natural las flores fueron evolucionando en su morfología a fin de facilitar el acceso a los insectos polinizadores. Al ocurrir polinización cruzada se originarían individuos más vigorosos que tendrían mayor probabilidad de florecer y sobrevivir, de manera que las plantas que fuesen capaces de producir flores y nectarios más grandes, serían visitadas con una mayor frecuencia por los polinizadores y se cruzarían más frecuentemente, adquiriendo una ventaja sobre los demás individuos de la población y formarían por tanto una comunidad local. En el caso de flores que no producen néctar, aquellas que contengan los pistilos y estambres colocados en relación al tamaño y costumbres del insecto polinizador tendrán una mayor probabilidad de dejar su polen impregnado en el insecto visitante, de manera que se asegura que por lo menos una décima parte del polen producido pueda llegar a fertilizar la flor de otra planta y así, los individuos que produjeran cada vez mas polen y anteras mas grandes se irían seleccionando de forma natural. De igual manera habría selección natural entre insectos y los que llevarían la ventaja serían aquellos con estructuras y aparatos bucales capaces de llegar con mayor facilidad hasta los nectarios florales de determinadas especies vegetales, formando comunidades que heredarían las mismas características y prevalecerían por encima de los individuos de otras especies de insectos menos adaptados a la morfología de la estructura floral de una planta específica. Es importante señalar que la mayoría de las especies de plantas no son polinizadas por un tipo determinado de polinizador. Sin embargo, hay casos en los cuales una especie particular poliniza una planta (en algunas orquídeas), pero estos casos son la excepción. “ Los tubos de la corola del trébol rojo común y del encarnado (*Trifolium platense y T. incarnatum) no parecen diferir a simple vista, en longitud; sin embargo, la abeja común puede chupar fácilmente el néctar del trébol encarnado, pero no el del trébol rojo, que es visitado por los abejorros; de modo que campos enteros de trébol rojo ofrecen en vano una abundante provisión de precioso néctar a la abeja común… Por otra parte, como la fecundidad de éste trébol depende por completo de las abejas que visitan las flores, si los abejorros llegasen a ser raros en algún país, podría ser una gran ventaja para la planta tener una corola más corta o más profundamente separada, de suerte que otro insecto pudiese succionar sus flores. Así puedo comprender como una flor y una abeja pudieron lentamente, y de una manera simultánea o una 116
después de otra, modificarse y adaptarse entre si del modo más perfecto, mediante la conservación continuada de todos los individuos que presentasen ligeras desviaciones de estructura mutuamente favorables. (El Origen de las Especies. Capítulo IV. Pág. 126-128. Énfasis añadido). Para que haya coevolución es necesario que las adaptaciones que desarrolla la especie 1 sean resultado de las adaptaciones de la especie 2 y de esta manera la especie 1 pueda incrementar su éxito reproductivo (o "fitness"), luego la especie 2 desarrollará por selección natural otra adaptación (o una mejora de las ya presentes) que le permitirán utilizar las características de la especie 1 para dejar más descendencia. Esta influencia evolutiva mutua llevará a establecer una relación de mutualismo entre las especies 1 y 2. Las aves son otro grupo de animales que han evolucionado de forma paralela con las plantas con flores y han influido en el desarrollo de síndromes particulares de polinización. Las flores que son visitadas por aves no tienen olores ya que sus polinizadores no tienen muy desarrollado el sentido del olfato, en cambio tienen colores vivos como rojos, naranjas o a amarillos. Muchas flores tienen corolas (el conjunto de pétalos) largas, fuertes y pendulares, las cuales son accesibles a los colibríes que pueden mantener el vuelo suspendido. Las paredes de la corola de estas flores son más duras que las de otras plantas para evitar daños por el pico del ave a otros órganos. Además de lo anterior, estas flores se caracterizan por tener grandes volúmenes de néctar por flor. La presencia de estas características en las plantas recibe el nombre de "síndrome de ornitofilia". En América los colibríes (familia Trochilidae) son el grupo que ha coevolucionado con muchas familias de plantas, entre ellas la familia de las orquídeas (Orchidaceae) y la familia de las bromelias (Bromeliaceae). Los murciélagos son también polinizadores de algunas especies. Al ser estos más grandes que las aves, requieren flores más grandes y con más néctar. Además, como los murciélagos visitan las flores de noche, estas poseen aromas intensos en lugar de colores vivos. La presencia de estas características en las plantas recibe el nombre de "síndrome de quiropterofilia". (Rodriguez F).
21.2 Incompatibilidad morfológica Las plantas además de haber coevolucionado con sus polinizadores desarrollando estructuras que aseguren que el polen será arrastrado por el agente polinizador hasta otra planta, también han creado mecanismos para impedir la autopolinización a fin de asegurar a través de la alogamia, el mantenimiento e incremento del vigor híbrido, el cual solo es posible si se producen individuos heterocigóticos. 117
En muchas especies la polinización cruzada es obligada por ser autoincompatibles, es decir que poseen barreras genéticas y fisiológicas que impiden la germinación del propio polen o del tubo polínico (como es el caso del Manzano). Los fenómenos que favorecen la incompatibilidad morfológica y por tanto la polinización cruzada natural son los siguientes:
•
Dioecia
La dioecia es el mecanismo mas importante de alogamia ya que las gametas masculinas y femeninas se originan separadamente en individuos diferentes (el espárrago es un ejemplo de planta dioica). El aguacate es un ejemplo de Dioecia, en donde se combinan diferentes mecanismos que hacen que la fertilización sea complicada. Los problemas de polinización están referidos al particular comportamiento de floración que posee el aguacate, el cual a pesar de poseer flores completas, presenta el fenómeno de dicogamia del tipo protogínea, madurando a destiempo los verticilios sexuales, lo que se traduce en una menor posibilidad de autopolinización de las flores. Además, se suma a esto el hecho de poseer dos patrones de floración, A y B, los cuales se diferencian en los tiempos de apertura floral, siendo complementarios para una adecuada polinización. La dioecia está asociada comúnmente a plantas de gran tamaño y polinización abiótica, siendo rara en plantas con flores grandes de morfología completa.
•
Monoecia
Las plantas monoicas presentan flores unisexuales femeninas y masculinas. Muchas plantas productoras de esporas (Briofitas, Talofitas, helechos) son monoicas, es decir que los gametos masculinos y femeninos se desarrollan en lugares diferentes de una misma planta (por ejemplo, en maíz) o bien se desarrollan asincrónicamente, esto es madura antes el gineceo o el androceo de la misma flor (Ejemplo: algunos helechos y algunas árboles con polinización anemófila)(www.lasemilla.com). Puede o no estar asociada con autoincompatibilidad. Las plantas monoicas autocompatibles presentan geitonogamia obligada. Se ha comprobado que las especies monoicas pueden alterar la proporción de flores masculinas y femeninas en respuesta a estímulos ambientales. Esta plasticidad reproductiva es la principal virtud del sistema.(http://docencia.udea.edu.co). Figura 37. Monoecia en Sagitaria
118
http://www.biologia.edu.ar/botanica/tema23/poliniza-abierta.htm
•
Protandria
La mayoría de las plantas dioicas son protándricas El mecanismo de protandria consiste en la maduración del androceo mucho antes que la maduración del gineceo, de manera que cuando el polen de la flor está activo, el aparato femenino aun no se ha desarrollado y el estigma no estará receptivo, evitándose la autopolinización. Así, la misma flor, actúa primero como flor masculina y luego como flor femenina. En las plantas que son autocompatibles, la protandria evita que se autopolinicen, favoreciendo la diversidad genética a través de la alogamia. Los ejemplos más comunes de plantas protándricas son las Campanuláceas y la mayoría de las Umbelíferas.3 Ejemplo cebolla, girasol, maíz. Figura 38 . Protandria en Agave (Bromeliaceae)
Inflorescencia Inflorescencia parcial
Flores protándricas Flores en Estado femenino
Fuente: www.infojardin.com/
En la achicoria, Cichorium intybus, las flores son protándricas. El estilo al crecer, se carga de polen en su cara externa. Si no ocurre polinización cruzada por medio de insectos, las ramas estigmáticas se alargan y se 119
curvan sobre sí mismas, poniendo en contacto su superficie receptiva interna con el propio polen. Figura 39. Autopolinización en Cichorium intybus, achicoria.
Fuente: Esquemas modificados de Valla 1979. http://www.biologia.edu.ar/botanica/tema23/poliniza-abierta.htm
•
Protogínia
Cuando el gineceo madura antes que el androceo, las flores son protóginas. En éste caso, la flor funciona primero como flor femenina y luego como flor masculina. Es el caso de la magnolia y algunas especies leguminosas, el aguacate y el nogal. Frecuentemente, la protogínia intrafloral está asociada a autocompatibilidad. Este parece ser un mecanismo evolutivo para asegurar la producción de frutos y semillas. (Bertin & Newman 1993). 3 Figura 40.Protogínia en Magnolia
Autor: K.R.Robertson, http://www.life.uiuc.edu
120
•
Hercogamia ( Separación espacial)
Se presenta en flores en las cuales las anteras y estigmas están muy separados unos de otros. Es muy común y es un mecanismo para reducir la autofecundación al igual que la dioecia. El estigma por lo general sobresale mucho más alto en la flor quedando los estambres por debajo de éste, lo cual impide la autopolinización. Figura 41.Heterostilia en Ayenia mansfeldiana.
A.Flor de Ayenia entera en vista súpero-lateral. B. vista lateral del androginóforo, tubo estaminal y un pétalo. C.flor en vista lateral.
Dibujos de Cristóbal,1960. Foto de M.Bonifacino, http://www.Plantsystematics.org
La Hercogamia puede ser de tres tipos: a) Hercogamia de aproximación: En donde los estigmas están por encima de las anteras y son los primeros en entrar en contacto con los polinizadores que ingresan a la flor. b) Hercogamia revertida: Las anteras están por encima del estigma Figura 42. Hercogamia de aproximación en Turnera. Hercogamia revertida
Fuente: http://www.biologia.edu.ar/botanica/tema23/poliniza-abierta.htm
c) Heterostilia: Las poblaciones están compuestas por individuos hermafroditas, pero hay 2 (dístila) o 3 (tristilia) tipos de individuos con formas florales caracterizadas por la disposición y longitud recíproca de anteras y estigmas. 121
En las especies dístilas hay flores longistilas (estilos largos y estambres cortos) y brevistilas (las anteras están por encima de los estigmas). Los granos de polen de las flores brevistilas son mayores, y a veces presentan escultura diferente. En las flores con estigmas papilosos hay correspondencia entre el tamaño de los granos de polen y la longitud de las papilas del estigma. En las especies tristilas hay una tercer forma floral, las flores mediostilas. El estigma y el estilo actúan como filtros impidiendo la germinación o llegada del polen propio y la fructificación resulta óptima sólo cuando la polinización es cruzada. Se presenta con frecuencia en flores tubulosas, actinomorfas, nectaríferas, polinizadas por diferentes insectos. La distilia es frecuente en Sterculiaceae, Plumbaginaceae, Turneraceae, Rubiaceae y Borraginaceae. La tristilia se presenta en los géneros Lythrum, Pontederia, Eichhornia y Oxalis. (http://docencia.udea.edu.co). Figura 43. Heterostilia
Fuente: http://www.biologia.edu.ar/botanica/tema23/poliniza-abierta.htm
21.3 La Esterilidad Se caracteriza por que los gametos no son funcionales debido a ciertas aberraciones cromosomitas, acciones génicas o influencias citoplasmáticas que producen el aborto o la medicación de flores enteras, estambres o 122
pistilos, lo que impide el desarrollo del polen, del saco embrionario o del endospermo. Existen varios tipos de esterilidad, pero la que más interesa a los fitomejoradores es la androesterilidad, que puede darse por efectos de genes mutantes, por factores citoplasmáticos o por efecto combinado de ambos.
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22. Lección 22. Androesterilidad Darwin razona que las especies son simplemente variedades bien marcadas. Un biólogo moderno definiría una especie como un grupo de organismos que pueden interfecundarse entre sí. En otras palabras, se trata de un grupo en el que el material genético puede fluir libremente, pero que se halla aislado genéticamente de otros grupos. (http://www.terra.es). La especie puede reconocerse como una categoría especialmente significativa en taxonomía porque su aislamiento genético le permite evolucionar independientemente, produciendo así características distintivas. Sin embargo, el mundo natural no se halla enteramente dividido en especies, y la línea entre esterilidad y fertilidad puede ser confusa, como cuando dos especies están en proceso de separarse una de otra. En algunas especies de plantas existe esterilidad entre individuos determinados, aunque todos pertenezcan a la misma especie. Las diferencias que impiden la fecundación interespecífica se denominan hoy mecanismos de aislamiento. Hoy día se sabe que puede haber selección natural para esto mecanismos. Allí donde, por ejemplo, dos especies ocupan hábitats diferentes pero todavía pueden hibridarse, los híbridos de ambas pueden ser incapaces de sobrevivir en uno u otro hábitat. Cualquier mecanismo heredado que reduzca el cruzamiento entre los individuos de las dos especies se verá favorecido por la selección natural, puesto que será ventajoso no malgastar esfuerzo reproductor en la producción de híbridos inadaptados. En algunos casos los cromosomas de las especies diferentes no pueden emparejarse adecuadamente durante la meiosis debido a que desarrollan diferencias estructurales. El híbrido puede ser todavía sano y vigoroso, pero será estéril o tendrá la fertilidad reducida porque los gametos que produzca tendrán demasiados o demasiado pocos cromosomas debido a un defecto en la meiosis. La selección natural tenderá entonces a favorecer mecanismos de aislamiento que actúen antes sobre el proceso reproductor para evitar que tales híbridos se produzcan. (http://www.terra.es). Al clasificar las plantas por su inhabilidad de producir semillas, es importante hacer distinción entre la esterilidad y la incompatibilidad. Cuando existe un fallo funcional de las anteras o el polen, se denomina esterilidad masculina o androesterilidad. En las plantas androestériles, las flores no producen anteras o polen viable, pero los estigmas funcionan normalmente. Aunque estas flores no pueden ser autopolinizadas, se pueden cruzar con otras 124
fuentes de polen. Esto hace que la androesterilidad sea de utilidad para el fitomejorador. La incompatibilidad es una forma de infertilidad causada por la inhabilidad de las plantas con gametos funcionales, ya sean masculinos o femeninos, de producir semilla cuando sean autopolinizadas o cruzadas. Es un proceso bioquímico bajo un control genético simple. Se presenta en ambos gametos y puede ocurrir en cualquier momento entre la polinización y la fertilización. Es la esterilidad de los gametos masculinos, se vuelven no funcionales por el efecto de los genes mutantes de los múltiples loci que controlan las diferentes etapas vitales para la formación del polen en el núcleo, por los factores citoplasmáticos, o por el efecto combinado de ambos. La androesterilidad no es un mecanismo común para controlar la hibridación en poblaciones naturales; puesto que las plantas androestériles aparecen esporádicamente en poblaciones tanto de especies autógamas como de alógamas (Clará R. et al. 1980). El uso de la androesterilidad, permite a los fitomejoradores eliminar el proceso de la emasculación en muchas especies autógamas, facilitando de esta manera la producción de híbridos a nivel comercial, lo cual es difícil en las plantas autógamas. La androesterilidad, según la forma como esté controlada, puede ser Genética, citoplasmática y Genética - citoplasmática. Existe otra clase de androesterilidad causada por el medio ambiente, por temperaturas muy bajas, u otros factores abióticos, denominada androesterilidad ecológica. (Clará R. et al. 1980).
22.1 Androesterilidad genética Se manifiesta mediante genes en el núcleo (genes nucleares) que inhiben el desarrollo normal de las anteras y el polen. Esta androesterilidad se ha encontrado en varias especies y está controlada por el gen recesivo “ms”, mientras que el gen dominante “Ms”, produce plantas con anteras y polen normales. La androesterilidad genética, suele producirse por mutación: MsMs Fértil
ms ms Esteril
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Las plantas con el genotipo “ms ms”, son androestériles, mientras que las “Ms ms” o “Ms Ms” son androfértiles. Como las plantas androestériles no se pueden mantener por sí mismas deben ser polinizadas por plantas fértiles que lleven, por lo menos, un gen dominante (Ms ms). Si la polinización se lleva a cabo utilizando un gene dominante, la descendencia de la población será la mitad fértil y la mitad estéril (50% Ms ms:50% ms ms). (Clará R. et al. 1980). ms ms Estéril
x
Ms ms Fértil
Ms ms + ms ms Fértil Estéril
En algunas especies se utiliza la androesterilidad genética para la producción comercial de híbridos, sembrando como progenitor femenino una línea heterocigótica (Ms ms) segregando para androesterilidad o una homocigótica (ms ms) y como progenitor masculino una línea homocigótica dominante (Ms Ms) o heterocigótica (Ms ms); al momento de inicio de la floración y antes de iniciarse la antesis, se identifican y se eliminan las plantas fértiles en el progenitor femenino. Algunas especies poseen características fenotípicas asociadas con la androesterilidad genética, las cuales sirven para identificar las plantas androestériles (Judía de Lima). El problema en la producción de híbridos comerciales no es solamente el costo elevado de la semilla sino también la dificultad en identificar las plantas androfértiles en los surcos del progenitor femenino. En los cultivos de tomate, judías y cebada la producción de semilla en las plantas androestériles es escasa, debido a la falta de buenos polinizadores. (Clará R. et al. 1980). Ejemplo de Producción de híbrido comercial:
♀ ms ms Estéril
♂ x
♀ ms ms Estéril
Ms Ms Fértil
Ms ms Fértil
♂ x
Ms ms Fértil
Ms ms + ms ms Fértil Esteril
La semilla heterocigota Ms ms constituye el material de reserva del gen “ms ”, el cual queda guardado en los bancos de germoplasma. Este tipo de androesterilidad no es usado en la producción comercial de semilla hibrida, debido a la dificultad de mantener el gen “ms” en forma homocigoto. El gen de androesterelididad en el arroz fue descubierto en 1981 por Singh e Ikehashi en un mutante de IR36. Se trata de un gen nuclear recesivo (ms). 126
Las plantas que contienen el par ms ms son androestériles y aquellas con combinación de genes Ms ms y Ms Ms son fértiles. Figura 44. Plantas de arroz androestériles
Fuente: http://agr.unne.edu.ar/fao/Cuba-ppt/P13SelecciOn%20Recurrente.pdf
22.2 Androesterilidad citoplasmática Esta clase de esterilidad masculina está controlada por factores citoplasmáticos. Las plantas androestériles (ms ms) poseen citoplasma estéril (S) y genes homocigóticos recesivos para la fertilidad en el núcleo (ms ms)S. Estas plantas producen semilla y mantienen su esterilidad masculina cuando se polinizan con plantas de citoplasma fértil (F) y núcleo con genes recesivos para la fertilidad (ms ms)F. Las primeras se conocen como líneas “A”, las segundas como líneas “B” o mantenedoras de la androesterilidad. La diferencia de los progenitores es solamente en el citoplasma y la descendencia lleva siempre el citoplasma (ms ms)S, o sea con dominancia del citoplasma estéril (S), lo que también se conoce como herencia materna o matroclinia. En éste tipo de esterilidad masculina, no intervienen factores genéticos nucleares, excepto cuando entran a modificar el citoplasma para restaurar la fertilidad. Generalmente se produce por mutación. (Vallejo et al, 2002).
N Fértil
Mutación
S Estéril
Los híbridos obtenidos mediante esta metodología son androestériles y no producen semilla; por lo tanto no es importante en cultivos donde el producto comercial es la semilla.
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Una vez detectada la androesterilidad citoplasmática se debe cruzar con una planta fértil de la misma variedad, a fin de aumentarla y almacenarla en los bancos de germoplasma para su uso posterior.
♀
♂ X
N
S Esteril
Fértil
S Esteril
La progenie será androestéril, ya que su citoplasma se deriva casi en su totalidad del gameto femenino. La androesterilidad citoplasmática es bastante utilizada en plantas ornamentales, debido a que los híbridos androestériles producen flores más hermosas y se mantienen frescas mucho más tiempo que las plantas androfértiles dentro de la misma especie El gene de esterilidad masculina, se conoce como “ms”, el androestéril citoplasmático como “msc”. Sin embargo para mejor explicación, también se utiliza RR y rr para denominar lo genes dominantes y recesivos, de la androesterilidad (Allard, 1967. Citado por Clará R. et al. 1980).
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23. Lección 23. Androesterilidad genética- citoplasmática Es una interacción entre el núcleo y el citoplasma que produce plantas androestériles y fértiles. Se restaura la fertilidad en la F1 cuando se cruzan plantas con citoplasma estéril y genes homocigóticos recesivos para la fertilidad (rr)S, con plantas de citoplasma estéril o fértil y genes homocigóticos dominantes en el núcleo (RR)_. Estos últimos genes tienen la capacidad de restaurar la fertilidad del polen en el citoplasma androestéril, y se conocen como “Restauradores” y las plantas como líneas “R”. (Clará R. et al. 1980). Tabla 10. Descendencia híbrida encontrada utilizando una misma línea hembra cruzada con machos de diferentes genotipos.
Existen varios casos de androesterilidad genético- citoplasmática: Tabla 11. Casos de androesterilidad genético – citoplasmática
Citoplasma N N N S S S
Núcleo Ms-Ms Ms-ms Ms-ms Ms-Ms Ms-ms Ms-ms (Amdroesteril)
Vallejo et al 2002.
Para que las plantas sean andro estériles debe existir la interacción entre el factor genético (ms ms) y el factor citoplasmático S. Cuando las plantas androestériles son cruzadas con plantas fértiles se obtienen los siguientes genotipos:
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Androestéril
Fértil
S-ms ms S-ms ms
X X
N - Ms Ms N - Ms ms
S-ms ms S-ms ms S-ms ms
X X X
N - ms ms S – Ms Ms S – Ms ms
F1 S – Ms Ms S – Ms ms + S – ms ms S – ms ms S – Ms ms S – Ms ms + S – ms ms
100% Fértil 50% Fértil + 50 % Estéril 100% Estéril 100% Fértil 50% Fértil + 50% Estéril
La androesterilidad genética citoplasmática se utiliza para producir híbridos simples, triples y dobles Figura 45.Producción de híbridos simples
Fuente: Clará Valencia René , D' Croz-Mason Nora E. Androesterilidad. INSTSORMILCENTA.
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Figura 46. Híbridos Triples
Fuente: Clará Valencia René , D' Croz-Mason Nora E. Androesterilidad. INSTSORMILCENTA.
Figura 47 . Híbridos dobles
Fuente: Clará Valencia René , D' Croz-Mason Nora E. Androesterilidad. INSTSORMILCENTA.
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CAPITULO 5. Reproducción asexual de las Plantas.
INTRODUCCIÓN. Las plantas poseen una ventaja evolutiva sobre el reino animal y es su capacidad para regenerarse a partir de propagación vegetativa, denominada también como reproducción asexual. Muchas especies son capaces de regenerar un individuo completo a partir de una sección desprendida de una planta madre. A esta característica se la denomina totipotencialidad. Este tipo de propagación asegura la conservación del genotipo que se propaga, pues el nuevo individuo será idéntico al individuo que le dio origen por cuanto no ha habido recombinación de genes excepto en el caso de que ocurra una mutación. Estos nuevos individuos son denominados como clon. La propagación puede realizarse a través de esquejes (vid), estolones (fresa), tubérculos (papa), bulbos escamosos (azucena, cebolla), rizomas (Heliconias),cormos (plátano), acodos (Mora), injertos y por micro propagación o cultivo in Vitro.
OBJETIVOS 1. Conocer los mecanismos de reproducción asexual de plantas 2. Diferenciar los mecanismos de Apomixis, Embrionía Adventicia y Aposporia 3. Determinar la importancia y aplicabilidad de los mecanismos de reproducción asexual en los programas de mejoramiento genético.
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24. Lección 24. Apomixis 24.1 Mecanismos de Reproducción Asexual Existen varios tipos de mecanismos en la reproducción asexual: •
La fragmentación y la división celular que engloba la bipartición y la gemación :
Consiste en el desprendimiento o ruptura de partes de células, talos o vástagos de los que surgen individuos hijos. En la bipartición, la célula madre se divide por completo en dos células hijas nuevas de igual tamaño. En la gemación celular el tamaño de la célula hija es al principio menor que el de la célula madre. •
Por gérmenes:
Los gérmenes son células asexuales reproductivas que desarrollan directamente el individuo. Existen varios tipos: pluricelulares (propágalos) y generalmente unicelulares (esporas). Hay zonas en que porciones del talo o del tallo de las plantas pluricelulares denominados propágalos (agrupaciones de células) que están particularmente especializadas para separarse de la planta madre y extenderse. Son muy comunes en las plantas inferiores. Existen varios tipos, los hormogonios de las cianobacterias, los tubérculos de la patata y los dientes del ajo. •
Las esporas:
Son células germinales especialmente diferenciadas para la reproducción asexual. Son la forma más corriente de reproducción asexual en plantas, producen en general poca variabilidad, son agentes de dispersión y normalmente unicelulares aunque hay esporas con varias células o núcleos. Existen varios tipos según las condiciones de formación: 1. Según la situación: exósporas o conidios si se forman al exterior por estrangulación y endósporas si se forman en el interior de un esporangio. 2. Según la capacidad de dispersión: aplanósporas si son inmóviles como el polen, muchos conidios y zoosporas o planósporas si son móviles.
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3. Según la formación: mitósporas o neutrósporas si son 2n y meiosporas, gonosporas o esporas "sexuales" si son n. Las esporas tienen también nombres especiales como por ejemplo: diplosporas si son 2n, haplósporas si son n, si son esporas de resistencia se las llama clamidosporas. Si se producen en ascas son ascosporas, basidiosporas si se producen en basidios. Heterósporas si son distintas generalmente de tamaño, macrosporas si son pequeñas y masculinas, megásporas si son grandes y femeninas. Las estructuras especializadas donde se producen las esporas son los esporangios. Son unicelulares (sin cubierta) en algas y hongos; Pluricelulares (con cubierta y arquesporio que es el tejido fértil) de Briófitos a Espermatófitos. Su nomenclatura es igual que la de las esporas, por ejemplo de meióspora meiosporangio. La reproducción asexual permite a un organismo producir descendientes rápidamente. Es común en plantas cuya semilla sexual es infértil o cuando la producción de ésta es esporádica, como en el caso de la guadua, en donde algunas especies solo fructifican cada 30 a 70 años. La ausencia de variabilidad genética en especies que se reproducen por vía asexual, puede convertirse en una desventaja cuando las condiciones ambientales (para la cual todos los clones están bien adaptados) cambian rápidamente.( www.porquebiotecnologia.com.ar). Figura 48.Formas de reproducción asexual en plantas.
Fuente: http://www.porquebiotecnologia.com.ar/educacion/cuaderno/doc/El%20Cuaderno%2056.doc
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24.2 Apomixis o Agamospermia
Se denomina Apomixis al fenómeno de los vegetales superiores donde hay formación asexual de un embrión en ausencia de fecundación. Por lo tanto, las semillas apomícticas contienen embriones cuyo origen es totalmente materno. Este término fue introducido por Wrinkler (1908) para denominar a aquellas plantas que se reproducen sin la intervención de meiosis ni singamia y que por lo tanto originan clones en forma natural de un genotipo determinado. La apomixis fue descrita por primera vez en 1841 en la planta australiana Alchornea ilicifolia por J. Smith. Cuando un ejemplar femenino de esta especie dioica fue llevado a los Kew Gardens de Londres desde Asia, la planta aislada floreció y produjo semillas en abundancia, poniendo al carácter en evidencia. Paradójicamente, los primeros experimentos con plantas apomícticas fueron realizados en forma involuntaria por Gregor Mendel, quien utilizó cruzas entre especies del género Hieracium para intentar confirmar los resultados obtenidos en sus famosos estudios sobre la herencia de las arvejas de jardín. Mendel atribuyó erróneamente a una supuesta «frecuente autopolinización» la falta de segregación observada. Hoy sabemos que muchas especies de este género son apomícticas.( Ortiz, Juan Pablo A. et al.). La apomixis es un fenómeno muy común en angiospermas y pteridófitas (helechos), pero hasta ahora no se ha descrito en gimnospermas. Es común en algunas gramíneas como: Poa, en rosáceas (Rubus), compuestas o en rutáceas (Citrus). Los géneros en los que existe apomixis son muy variables y es muy difícil identificar taxonómicamente las especies pertenecientes a él ya que muchas de ellas a veces aparecen como clones únicos. La situación se hace aún más difícil cuando la apomixis es facultativa ya que la complejidad de los patrones (fenotipos) que aparecen es aún mayor. Parece ser que la apomixis es obligatoria en la mayoría de las plantas con inflorescencias de tipo compuesta y facultativa en rosáceas y en gramíneas. En estas dos familias se ha descrito progenie de tipo sexual y de tipo apomíctico. La mayoría de las plantas apomícticas son híbridos poliploides aunque la poliploidía por sí sola no promueve la apomixis y la hibridación per se no necesita de ella. Los híbridos con frecuencia tienen dificultades con la meiosis produciéndose como consecuencia de ello una pérdida de fertilidad. La ventaja selectiva de la apomixis en esos casos es clara ya que asegura la existencia de híbridos 135
al mismo tiempo que ofrece una salida al problema de la esterilidad. Plantas que sean híbridos y apomícticas es frecuente hallarlas en ambientes desestabilizados. En contraste con la autogamia que propaga la consanguinidad y la homocigosis, la apomixis estabiliza el statu quo. El genotipo de un determinado individuo permanece inalterable en su descendencia. Las plantas conocidas como plantas pioneras usan sistemas genéticos que resultan de un compromiso entre una alta tasa de recombinación y una estabilización de tipos adaptados. La apomixis facultativa y la formación de híbridos ha demostrado ser una combinación óptima.( Ramirez Lucía. Univ. Navarra). El proceso apomíctico sobrepasa la meiosis y la fertilización y envuelve varios procesos todos necesarios para la producción de una semilla viable. En primer lugar se da ausencia de la alteración por meiosis evitando la reducción (apomeiosis), luego se da la activación de la oosfera para formar un embrión en ausencia de fertilización (partenogénesis) y por último de da la iniciación del endosperma, tanto de manera autónoma como pseudogámica. El desarrollo apomíctico puede ser considerado como un corto circuito o desarreglo en los estados clave del programa de desarrollo sexual. El ambiente puede en algunos casos influir sobre la expresión de la apomixia, caso en el cual se denomina apomixia facultativa. Este fenómeno ha sido observado en especies como Dichantium aristatum., donde el fenómeno está asociado a condiciones de fotoperiodo. Sin embargo, no hay evidencias de la influencia del ambiente en especies con apomixia obligada. (Dall’agnol Miguel et al. 2004.). La apomixia parece ser controlada cualitativamente por pocos genes. Las relaciones génicas tanto dominantes como recesivas han sido reportadas tanto para la misma especie como en especies distintas. La presencia de apomixia obligatoria y facultativa en la misma especie , asó como variaciones en el grado de expresión de apomixia facultativa, indican que la apomixia puede ser afectada por genes modificantes y también por la constitución genética de las poblaciones. (HANNA,1995 citado por Dall’agnol Miguel et al. 2004). Actualmente, la propagación por apomixis está tomando más fuerza ya que representa una forma de clonación de plantas a través de semillas, que brinda la oportunidad a los agricultores de desarrollar nuevos y únicos cultivares de especies. La propagación de cítricos usando semilla apomíctica es la forma de propagación más utilizada y eficiente. Muchos pastos comerciales también se propagan de esta forma, tales como Paspalum notatum “pasto horqueta”, Pennisetum ciliare “pasto buffel” y Poa pratensis L. “blue grass o pasto azul de Kentucky”,así como parientes silvestres del maíz, el trigo y el mijo. 136
Aunque las causas de la formación del embrión sin fecundación sean aún difíciles de determinar, la apomixis constituye una forma de reproducción de especies que asegura un mejor control en la producción. Debido a que no hay intercambio de material genético, la apomixis permite la reproducción de especies con características favorables, resaltando su eficiencia y la producción de semillas de alta calidad. Es decir que esta técnica combina las ventajas de la propagación por semilla (por fecundación) y los métodos de propagación vegetativa.(www.porquebiotecnologia.com.ar). El control genético de la apomixia fue recientemente revisado por Savidan (2000). La hipótesis de que el carácter apomíctico esta ligado a un alelo dominante en un único locus, ha sido apoyada por análisis de genética mendeliana en Bothriochloa-Dichanthium, Panicum maximum, Ranunculus auricomus, Cenchrus ciliaris e Brachiaria sp (Valle & Savidan 1996). Otros estudios sugieren un control multigénico de la apomixia e la existencia de una estrecha relación entre el nivel de ploidia y de apomixia. Carman (1997) defiende la hipótesis, basada en análisis filogenéticos, en donde la apomixia resultaría de la expresión asincrónica de genes de desarrollo del gametófito femenino duplicados en alopoliplóides. Los Apomícticos serian, según esta hipótesis, poliplóides originados de hibridación entre especies ancestrales distantes que presentarían diferencias en el momento de la megasporogénesis y del desenvolvimiento del saco embrionario. (Tavares de Campos Vera C et al.). La apomixis permite a los fitomejoradores generar nuevas variedades en menos tiempo y a menor costo. Se puede ‘fijar’ instantáneamente una característica genética deseada en una sola planta apomíctica, en contraste con las miles de plantas que hay que cultivar y seleccionar durante años cuando se utiliza el mejoramiento tradicional. (Proyecto Apomixis.IRDCIMMYT). Figura 49. Selección en Maíz por el método tradicional y a partir de variedades apomícticas.
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Fuente: IRD- CIMMYT
Existen tres vías para la reproducción apomíctica: 1. Aposporia 2. Diplosporía 3. Embrionía adventicia
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25. Lección 25. Embrionía Adventicia En las angiospermas, las semillas se desarrollan a partir de los óvulos como consecuencia de la doble fecundación (uno de los gametos masculinos se une con la oósfera; el segundo, a los núcleos polares). En dicho momento, el óvulo consiste de una nucela central, que contiene al saco embrionario y uno o dos tegumentos. En un óvulo bitégmico la nucela está rodeada por un tegumento interno y otro externo generalmente de menor desarrollo. La apertura delimitada por los extremos de ambos tegumentos forma el micrópilo. Sin embargo, los tegumentos pueden tener distinto desarrollo y sus extremos presentarse excéntricos, en zig zag, como en los óvulos jóvenes de la soja (Glycine max) o en Ceiba insignis. De esta forma las aperturas se denominan endostoma y exostoma respectivamente. Los óvulos unitégmicos son los que presentan un solo tegumento, como en las gimnospermas; en este caso, contienen a la nucela y al prótalo. Excepcionalmente se presentan óvulos atégmicos (sin tegumentos). Figura 50.Partes del Ovulo y tipos del Ovulos.
Te, tegumento externo; Ti, tegumento interno; Ca, cálaza; Hv, haz vascular; S, sinérgidas; Se, A, antípodas; Np, núcleos polares; En, endostoma; Ex, Exostoma.
Fu, saco
funículo; embrionario;
Nu, O,
nucela; oósfera;
Fuente: Perissé Patricia. 2002
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La embrionía adventicia, llamada también apomixis esporofítica, difiere de la Apomixis gametofítica en que los embriones surgen directamente de una célula somática de la nucela o de los tegumentos del óvulo. Comúnmente se forman embriones múltiples a partir de células nucleares (esporofíticas) que comparten el óvulo junto con el embrión de origen sexual y utilizan su endospermo para desarrollarse.
Esta forma de apomixis aparece comúnmente en los cítricos, los cuales constituyen un sistema modelo para estudiar el proceso y en especies de Mangifera.. En la embrionía adventicia, no se desarrolla saco embrionario. Los embriones diploides se desarrollan directamente a partir de células del esporofito diploide, es decir de las células del envoltorio del óvulo (ejemplo, integumento).(Ortíz Juan p. et al.). La poliembrionía es la formación de más de un embrión dentro del óvulo. Este fenómeno es inusual en angiospermas pero muy común en gimnospermas. Cuando ocurre en angiospermas, es clasificada como simple o múltiple, dependiendo de la presencia de uno o más sacos embrionarios dentro del mismo óvulo y puede ser de naturaleza sexual o asexual (apomixis).( Sánchez Damas J.Jet al. 2006.). Es frecuente que las especies que poseen embrionía adventicia presenten éste fenómeno. La embrionía adventicia es uno de los tipos de apomixis más ampliamente distribuido en la naturaleza y se clasifica en embrionía nucelar y embrionía integumentaria, dependiendo del origen de los embriones asexuales.( Sánchez Damas J.J et al. 2006.).
25.1 Embrionía nucelar En este caso, el embrión se forma fuera del saco embrionario y se desarrolla a partir de células somáticas del óvulo como la nucela. En cítricos el fenómeno de embrionía adventicia ha sido ampliamente estudiado y se considera como modelo para explicarlo. Es estas especies, la embrionía nucelar parece ocurrir solo en presencia de la reproducción sexual normal, ya que el estímulo del embrión cigótico en desarrollo, conduce al crecimiento posterior de los embriones apomícticos en la nucela. De ésta manera, los procesos sexual y apomíctico, coexisten 140
dentro del mismo óvulo y por tanto se dice que la apomixis es de tipo facultativo.( Sánchez Damas J.J et al. 2006.). Las células iniciales de los embriones nucleares aparecen primero en las capas de las células nucleares que rodean a la parte calazal del saco embrionario sexual, inmediatamente después de antesis. Luego, aparecen más iniciales en la región micropilar y alrededor del saco embrionario. La primera división de las células iniciales nucleares en Citrus, ocurre aproximadamente cuando se da la primera división del cigoto. Sólo, las iniciales nucleares localizadas en la región micropilar se dividen y forman embriones, y durante todo el desarrollo de la semilla se pueden seguir diferenciando embriocitos en la región micropilar del óvulo. (Koltunow,1993 citado por Sánchez Damas J.J et al. 2006.) El desarrollo del embrión nucelar es morfológicamente casi idéntico al desarrollo del embrión sexual, diferenciándose solo en la rapidez del desarrollo. Los embriones nucleares se desarrollan más rápidamente que los cigóticos y en algunos casos, los embriones cigóticos pueden no completar su desarrollo en semillas que contienen embriones nucleares múltiples. Se ha observado que en naranja valencia, tanto en óvulos fecundados como no fecundados se da iniciación de embriones nucleares, lo que indica que su iniciación es independiente de la fecundación, sin embrago parece ser que se necesita de la fecundación sexual, para que el embrión nucelar complete su desarrollo y pueda formar el endospermo, indispensable para su nutrición.
25.2 Seudogamia Se presenta en algunas especies en donde se requiere de la polinización y posterior fecundación de los núcleos polares para inducir y estimular el desarrollo de la semilla apomíctica. En éste caso, el embrión se forma a partir de la oósfera. Cuando se presenta seufogamia y el embrión se desarrolla a partir de la nucela se denomina Embrionía nucelar inducida.
25.3 Androgénesis Es un caso particular de embrionía adventicia en la que el embrión se origina del gameto masculino, debido a que cuando éste llega a la oósfera, el núcleo de ésta degenera y es reemplazado por el núcleo del gameto masculino
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25.4 Poliembrionía Es el fenómeno por el cual se forman en la semilla más de un embrión, independientemente del origen de los mismos. Los embriones se pueden originar del cigoto, de las sinérgidas, las antípodas, la nucela o del tegumento. Por lo tanto, pueden ser haploides, diploides o triploides en distintas combinaciones. Se dice que la poliembrionía es simple cuando en un mismo saco embrionario se desarrollan varios embriones, y múltiple cuando éstos se forman en varios sacos embrionarios. En las angiospermas puede ocurrir que el cigoto, luego de la primera mitosis se divida por clivaje en dos y así se forme un embrión de cada una de las partes. También puede suceder que la nucela se divida en varias partes, de las que se originan numerosos sacos embrionarios. A veces, sólo uno de ellos desarrolla completamente. En el caso de los Citrus, se encuentra un embrión normal de origen sexual y otros que evolucionan a partir de la nucela del óvulo; por lo que estos últimos son idénticos a la planta madre, y por su característica de rusticidad son utilizados como patrón de injerto. Otras especies que presentan casos de poliembrionía son: el mango (Mangifera indica), manzano (Malus sylvestris) y el falso azafrán (Carthamus tinctorius). Son numerosas las especies citadas en las cuales se ha encontrado embriones dobles, como por ejemplo en: alfalfa (Medicago sativa) dos embriones diploides (2n), uno del cigoto, el otro de la nucela; papa (Solanum tuberosum) y lino (Linum usitatissimum) dos embriones, un embrión diploide del cigoto (2n) y uno haploide (n) de una sinérgida; trigo (Triticum aestivum), dos embriones en el mismo saco, un embrión de la oósfera (n) y otro de la sinérgida fecundada (2n); espárrago (Asparagus officinalis ) dos embriones diploides por clivaje del proembrión. Generalmente, los clones derivados de repetidas multiplicaciones vegetativas tienden a deteriorarse; sin embargo es posible restablecer el vigor mediante el cultivo de embriones nucelares. Así, en los Citrus, se obtienen plántulas uniformes y libres de virus, muy buscadas por los horticultores por su buen sistema radical. Además, las plántulas haploides se usan para explotar la homocigosis (induciendo la duplicación de cromosomas) y son una herramienta útil en el mejoramiento. Es así como las técnicas de cultivo de tejidos se han utilizado ampliamente para la inducción de la poliembrionía a partir de tejidos somáticos y reproductivos.
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Las causas por las cuales se dan los fenómenos de poliembrionía y apomixis son genéticas. Se considera que las especies apomícticas son activamente más evolucionadas porque tienen posibilidades de cambio y por lo tanto de adaptación.( Perissé Patricia. 2002.).
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26. Lección 26. Aposporia y Diplosporia Se considera que la apomixis ha evolucionado como un sistema de reproducción alternativo a la sexualidad a través de la reformulación de sus programas de desarrollo. En la reproducción sexual de angiospermas, ocurre una alternancia cíclica entre los estados de esporófito (la planta misma, 2n) y gametófito (el grano de polen y el saco embrionario, n). La meiosis que ocurre en las flores posibilita la recombinación y reducción del contenido genético y da lugar a la formación de las esporas femeninas (megásporas) en el ovario y masculinas (micrósporas) en las anteras. La megasporogénesis genera cuatro células haploides, tres de las cuales degeneran. La restante constituye la megáspora funcional, que por el proceso de megagametogénesis desarrolla un megagametófito conocido como «saco embrionario». El tipo de saco embrionario más común entre las angiospermas (conocido como Polygonum) está formado por 8 núcleos haploides (n) contenidos en siete células, a saber: la ovocélula, dos sinérgidas, una célula central binucleada, y tres antípodas. Por otra parte, las microsporas desarrollan los granos de polen mediante un proceso de microgametogénesis. El polen maduro está típicamente integrado por tres células haploides (n), dos de las cuales constituyen los gametos masculinos. La otra tiene una función relacionada con el crecimiento del tubo polínico. La formación de la semilla requiere previamente de un proceso de doble fecundación: un gameto masculino (n) se fusiona con la ovocélula (n) para originar al cigoto (2n). A partir de este cigoto se desarrolla el embrión. La célula central del saco embrionario con sus dos núcleos (n + n) se fusiona con el otro gameto masculino para originar el endospermo. Así, la fusión de dos gametos haploides únicos derivados de la distribución al azar del material genético durante las meiosis masculina y femenina resulta en la generación de progenies genéticamente diversas.( Ortiz, Juan Pablo A et al.).
26.1 Aposporia En la Aposporia, el saco embrionario tiene su origen en una célula somática de las múltiples que rodean la célula madre del saco embrionario (nucela), que no ha sufrido reducción meiótica de un óvulo y por tanto el embrión es 2n. Se forman siempre sacos embrionarios que difieren en algunos aspectos del gametofito femenino haploide (n) generado a partir de la Megaspora 144
funcional. Se trata de aposporia generativa si la célula es arquesporial y aposporia somática si la célula es nucelar. Su principal diferencia es precisamente el hecho de ser diploides (2n), puesto que los núcleos que los conforman no han pasado por el proceso de meiosis y por lo tanto no han reducido su contenido de ADN. Por eso se dice que estos sacos embrionarios o mega gametofitos surgen por un proceso de apomeiosis (apo: prefijo griego de significación negativa).( Ortiz, Juan Pablo A et al.).
Los embriones se originan por partenogénesis de la ovocélula no reducida donde el tejido central del óvulo entra en divisiones mitóticas para desarrollar el saco embrionario. Es un carácter regulado genéticamente y en algunas gramíneas se determinó que posee un control monogénico y dominante (Savidan 1982; do Valle y col. 1994; Sherwood y col. 1994, Ozias-Akins y col. 1998, Martínez y col. 2001,citados por Martínez, Eric J. et al.2003.). Los sacos embrionarios apospóricos, clasificados como de tipo Pánicum, presentan cuatro núcleos, siendo un núcleo polar, uno la oosfera y dos de las sinérgidas. En éste tipo de saco embrionario no se presentan antípodas. En los sacos embrionarios de Tipo Hieracium se observan tres antípodas y un total de ocho núcleos. En algunas especies el embrión o el endosperma se desarrollan de forma autónoma, independiente de la fecundación. En otras, los núcleos polares son fertilizados para formar el endosperma, en cuanto la oosfera se desarrolla de forma autónoma formando un embrión por partenogénesis (pseudogamia).( Tavares de Campos Vera C et al.). La ausencia de apomixis a nivel diploide es un aspecto que aún no ha sido del todo dilucidado. Aún no se sabe si se debe a un problema de ausencia de los factor(es) necesario/s para su expresión o al hecho de que existe algún mecanismo que condiciona la expresión del carácter. Se ha propuesto que el factor que controla la apomixis estaría asociado a un gen letal para los gametos monoploides (n=x) y por lo tanto no se podría transmitir en los gametos del nivel diploide (Nogler 1982 citado por Martínez, Eric J. et al. 2003.).
26.2 Diplosporia En la Diplosporia, la célula madre del saco embrionario o gametófito femenino se desarrolla directamente en un embrión, proceso conocido con el nombre de partenogénesis diploide. El embrión resultante es 2n. La meiosis de la célula madre o megaspora es interrumpida y el saco embrionario se forma directamente de ella por mitosis sucesivas. 145
Se forman sacos embrionarios que presentan ocho núcleos, siendo dos, núcleos polares, uno el de la oosfera, dos para las sinérgidas y tres para las antípodas. Este tipo de sacos son clasificados como Tipo de Taraxacum, Ixeris o Antennaria dependiendo de la ontogénesis.12 Tanto en la aposporia como en la diplosporia, en los sacos embrionarios no reducidos habrá un desarrollo del embrión a partir de la oosfera y las células contendrán el mismo número de cromosomas de cualquier otra célula de la planta madre. Este proceso es denominado partenogénesis y más raramente a partir de las sinérgicas o antípodas en cuyo caso el proceso se denomina apogametia. El endosperma puede desarrollarse de forma autónoma, es decir a partir de dos núcleos polares o por la unión de un núcleo masculino con los núcleos polares. En éste caso el proceso se denomina pseudogamia. Así, en apomícticos pseudogámicos hay por tanto necesidad de polinización pero solamente para la formación del endosperma. Los sacos embrionarios, sean éstos apospóricos o diplospóricos, contienen un gameto femenino 2n, la ovocélula, a partir de la cual se desarrolla directamente el embrión por partenogénesis sin que exista fecundación. Así, mientras en el proceso sexual la reducción meiótica se complementa con la fecundación que restaura el nivel de ploidía 2n, en la apomixis gametofítica la ausencia de reducción se complementa con la partenogénesis. En ambos casos, se desarrolla un gametofito pero la meiosis o no existe o en el caso de que se produzca no tiene consecuencias observables. Por esta razón se llama también a este fenómeno apomixis gametofítica.( Ortiz, Juan Pablo A. et al). Figura 51.Rutas de la reproducción sexual y apomíctica
Fuente: http://www.argenbio.org/h/biblioteca/libro/27_VIII_3.pdf
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Durante la sexualidad una célula de la nucela del óvulo se diferencia como célula madre de la megáspora y luego de sufrir un proceso de meiosis da origen a cuatro megásporas haploides. Tres de estas megásporas degeneran y la cuarta da origen a la formación de un saco embrionario luego de una serie de mitosis, donde todos los núcleos celulares están reducidos (n). La ovocélula y los núcleos polares del saco son fecundados por los núcleos generativos del polen para generar el cigoto y el núcleo primario del endosperma, respectivamente. El cigoto da origen al embrión a través de sucesivas mitosis. La apomixis consiste en la formación de un embrión a partir de una célula no reducida (que no ha sufrido mitosis). En algunos casos hay formación de un megagametofito con células no reducidas, cuya ovocélula (2n) genera un embrión por partenogénesis (apomixis gametofítica). En otros casos el embrión es generado directamente a partir de una célula de la nucela en un proceso similar a la embriogénesis somática (embrionía adventicia).( Ortiz, Juan Pablo A. et al.).
En la apomixis gametofítica la partenogénesis excluye uno de los procesos de la doble fecundación: la unión de los gametos masculinos con los femeninos, pero no necesariamente se anula la fecundación de los núcleos polares. Aunque en algunos casos el endospermo puede desarrollarse en forma autónoma (sin la unión de un gameto masculino con los núcleos polares del saco embrionario apospórico o diplospórico) en muchas especies apomícticas, como en la mayoría de las gramíneas tropicales, es necesario que un gameto masculino se fusione con el o los núcleos polares de la célula central del saco embrionario para formar el endospermo. A este proceso se lo llama pseudogamia. Los sacos embrionarios diplospóricos conservan la típica estructura de los sacos embrionarios de origen meiótico, generalmente con siete células y ocho núcleos. En la aposporia por lo general tienen una constitución distinta y muy variable, tanto en taxones diferentes como dentro de un mismo taxón. Por ejemplo, en gramíneas tropicales o subtropicales, el saco apospórico se forma por dos mitosis consecutivas, con permanencia de los cuatro núcleos en un solo polo celular. Así, se organiza un megagametófito con una ovocélula flanqueada por dos sinérgidas y una célula central uninucleada y extensamente vacuolizada. Esta estructura de saco apospórico fue descrita por primera vez para Panicum maximum y por esa razón a los megagametófitos con esta morfología se los conoce como sacos apospóricos de tipo Panicum. Sin embargo, en las especies apospóricas de Paspalum, un género también 147
perteneciente a la tribu Panaceas igual que Panicum, existe una característica en la constitución de los sacos apospóricos que los diferencia netamente del tipo Panicum: en Paspalum los sacos generalmente tienen una célula central con dos núcleos polares y a veces tres. Esta característica es importante porque debido a la pseudogamia, a veces la relación genómica materna/ paterna del endospermo es distinta en las plantas sexuales y en las apospóricas. En las sexuales, hay una relación 2/1 materno/ paterno (madre n + n; padre n), mientras que en las apospóricas esa relación es generalmente 4/1 (madre 2n + 2n; padre n). Figura 52. Distintos tipos de sacos embrionarios formados durante los procesos de sexualidad y de apomixis gametofítica
En la sexualidad, la célula madre de la megáspora realiza un proceso de meiosis y genera cuatro megásporas haploides, tres de las cuales degeneran. La cuarta megáspora lleva a cabo una serie de tres divisiones mitóticas para formar un saco embrionario reducido y octanucleado. En el proceso de apomixis diplospórica la célula madre de la megáspora realiza una serie de mitosis para generar un saco embrionario no reducido y octanucleado (tipo Antennaria) o inicia un proceso de meiosis que falla para generar un saco embrionario no reducido y octanucleado (tipo Taraxacum). En la apomixis apospórica células de la nucela cercanas a la célula madre de la megáspora realizan varias mitosis consecutivas para generar un saco embrionario no reducido que puede ser pentanucleado (tipo Paspalum) y cuya característica más notable es la ausencia de antípodas. (Ortiz, Juan Pablo A. et al.).
La apomixis usualmente no altera la formación del microgametófito y la meiosis ocurre normalmente en las anteras generando polen perfectamente viable y reducido. Además, apomixis y sexualidad no son procesos mutuamente excluyentes ya que pueden aparecer simultáneamente sacos reducidos (meióticos) y no reducidos (provenientes de apomixis) en una misma planta, en una misma inflorescencia y aún en un mismo óvulo. Una planta apomíctica capaz de generar al menos una parte de su progenie por medios sexuales se conoce como facultativa. Por lo tanto, en los genotipos apomícticos facultativos las progenies segregan como clases maternas (2n + 0) y no-maternas o aberrantes. Hay tres tipos diferentes de individuos aberrantes que pueden encontrarse en la progenie de una planta apomíctica: 148
1. híbridos BIII (2n + n) que resultan de la fecundación de una ovocélula no reducida 2. híbridos BII (n + n) que resultan de la fecundación de una ovocélula reducida y 3. haploides (n + 0) generados por partenogénesis a partir de una célula huevo reducida. La apomixis gametofítica se relaciona siempre con la poliploidía. En general aparece en especies que presentan razas de bajos niveles de ploidía (usualmente diploides) que se reproducen por sexualidad y otras de mayor nivel de ploidía (por ejemplo tri, tetra o pentaploides) que se reproducen por apomixis. Estos complejos integrados por individuos sexuales y apomícticos de distinto nivel de ploidía se conocen como «complejos agámicos» y se consideran estructuras reproductivas complejas y evolucionadas donde la sexualidad permite la generación de nuevos genotipos y la apomixis la propagación clonal muy eficiente de las combinaciones genéticas superiores. Existen evidencias que sugieren que la diversidad generada a niveles menores de ploidía puede ser impulsada hacia los niveles poliploides por medio de eventos sucesivos de hibridización 2n + n. (Ortiz, Juan Pablo A. et al.)..
26.3 Control genético de la apomixis La apomixis es un carácter heredable, pero su control genético no está claramente establecido. En principio se consideró que sus determinantes básicos podrían haberse originado por mutación y que la mayoría de los otros genes involucrados son similares a los de la sexualidad. A pesar de su amplia distribución en las angiospermas, el carácter no es muy común en los cultivos mayores o en sistemas modelos, condición que forzó a que los estudios en este campo sean realizados en especies silvestres que son poliploides, altamente heterocigotas y con una pobre caracterización genética. La disección de las bases genéticas del carácter es por lo tanto dificultosa y compleja ya que los estudios de herencia sólo son posibles si pueden cruzarse progenitores completamente sexuales y apomícticos y si la progenie F1 segregante puede ser examinada por métodos citoembriológicos. Los diferentes estudios desarrollados en las gramíneas coinciden en señalar que tanto la Aposporia como la diplosporía parecen estar controladas por un único locus en donde un gen mayor dominante o un grupo de genes ligados y coadaptados, que funcionan como una sola unidad genética a causa de una fuerte supresión de la recombinación, son los responsables de la expresión del carácter.( Ortiz, Juan Pablo A. et al.). 149
CAPITULO 6. Genética cuantitativa INTRODUCCIÓN. La genética cuantitativa es la rama de la genética que permite el cálculo y el análisis de la herencia de caracteres controlados por muchos genes, que originan características cuantitativas o caracteres continuos que se pueden medir con valores cuantitativos. La segregación de éstos caracteres, que controlan factores de importancia económica y que están altamente influenciados por el ambiente como son la altura, tamaño del fruto, rendimiento, resistencia a enfermedades, se pueden cuantificar fácilmente usando una escala apropiada (por ejemplo, centímetros, gramos, toneladas por hectárea) y al graficar los valores se observa que la curva sigue un comportamiento de distribución Normal con su clásica forma de campana. Otros caracteres, como la resistencia a enfermedades, pueden clasificarse y analizarse comparando individuos con estándares definidos. La genética cuantitativa tambien permite evaluar las ventajas y desventajas de los distintos métodos de selección y fitomejoramiento, que conlleven al desarrollo de nuevas variedades, líneas e híbridos que permiten incrementar la cantidad, calidad y diversidad de la producción agrícola. Para ello es importante conocer el comportamiento de las poblaciones, la interacción de los genes y la forma como se analizan dichas interacciones. OBJETIVOS 1. Identificar que es una población, sus variaciones, cambios de las frecuencias de los genes y genotipos que se pueden presentar. 2. Conocer los modelos que explican la acción de los genes. 3. Distinguir los métodos estadísticos para analizar la variación. 4. Conocer lo que es la aptitud combinatoria de las especies.
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27. Lección 27. Genética de Poblaciones. La genética de poblaciones es la rama de la genética cuya problemática es describir la distribución de los genes en las poblaciones y la manera o forma en que la frecuencia de los genes y genotipos se mantiene o cambia, con el objeto de dar explicación a fenómenos evolutivos. Para ello, se define a una población como un grupo de individuos de la misma especie, con genotipos diferentes, que comparten un mismo espacio y tiempo, entre los cuales hay apareamiento aleatorio, se recombinan todos contra todos y están aislados reproductivamente de otros grupos afines. Genéticamente una población es un grupo de individuos que comparten un acervo genético común y tienen la posibilidad de aparearse Todos los individuos de la población tienen gametos viables fértiles y cada uno de los individuos contribuye por igual. El concepto de población sólo puede ser aplicado a aquellas plantas de polinización cruzada natural, por lo que es impractico utilizar el termino de población en especies de plantas autógamas, por que no hay apareamiento aleatorio. En la genética de poblaciones, se parte del supuesto de que los cambios evolutivos a pequeña escala, los que se dan al interior de las poblaciones de las especies, contienen todos los elementos necesarios para explicar toda la evolución, pues la macroevolución o evolución a gran escala, no sería más que la extrapolación en el espacio y en el tiempo de los procesos básicos de las poblaciones. Casi todas las especies están formadas por una o más poblaciones de individuos que se cruzan entre sí, formando una comunidad de intercambio genético, denominada población mendeliana. Esta población es el sustrato básico donde se forja la evolución. En el interior de la población se da el hecho inevitable de que algunos individuos dejan más descendientes que otros. Como el único componente que se transmite de generación en generación es el material genético (los genes), el que un individuo deje más descendientes implica que sus genes estarán más representados en la siguiente generación. De este modo, las frecuencias de los distintos genes cambiarán de una generación a otra y este cambio será irreversible cuando se considera el conjunto de los genes de la población, pues es muy improbable que se vuelva a una configuración previa en todos los genes. Por tanto, desde el punto de vista de la población, la evolución es en último término, un cambio acumulativo e irreversible de las proporciones de las diferentes variantes de los genes o alelos en las poblaciones. 151
Las poblaciones están sujetas a cambios evolutivos que originan cambios genéticos, los que a su vez están influenciados por factores como: selección natural y deriva génica, que actúan principalmente disminuyendo la variabilidad de las poblaciones o migración y mutación que actúan aumentándola, conceptos estos que trataremos mas adelante en la lección 36, cuando veamos la teoría de Hardy-Weinberg y los conceptos de una población en equilibrio, en el mejoramiento de plantas alógamas. Por ahora, sólo nos ocuparemos por definir que las poblaciones, no los individuos son la unidad de la evolución. La Genética de Poblaciones estudia: • La constitución genética de los individuos que componen las poblaciones (frecuencias génicas y genotípicas). • La transmisión de los genes de una generación a la siguiente (gametos=nexos de unión entre una generación y la siguiente). • La aplicación de modelos matemáticos sencillos, cuando se considera un sólo locus y una sola fuerza actuando sobre la población, diseñados para individuos diploides con reproducción sexual.
27.1Frecuencias fenotípicas, genotípicas y alélicas o génicas. El mejoramiento genético consiste en alterar las frecuencias alélicas y las frecuencias genotípicas. •
La frecuencia alélica es la proporción de un alelo de un gen determinado en una población: Un gen A//a: con dos alelos A y a Genotipos posibles: AA, Aa, aa,
En codominancia existen 3 genotipos = 3 fenotipos En dominancia completa existen 3 genotipos = 2 fenotipos •
Frecuencias fenotípicas de una población son las proporciones o porcentajes de individuos de cada fenotipo que están presentes en la población. Ff =
Número de individuos de un fenotipo Número total de individuos 152
Frecuencias genotípicas de una población son las proporciones o porcentajes de individuos de cada genotipo que están presentes en la población. Fg = Número de individuos de un genotipo Número total de individuos
•
La suma de las frecuencias genotípicas será 1. En Codominancia: frecuencias fenotípicas = frecuencias genotípicas. En dominancia: frecuencias fenotípicas ≠ frecuencias genotípicas.
27.2 Cuantificación de la frecuencia alélica y genotípica Un gen R // r; n1 = RR; n2 Rr; n3 rr. N = población •
Frecuencia Fenotípica Frecuencia RR: D = n1/N Frecuencia Rr : H = n2/N Frecuencia rr: R = n3/N N = n1 + n2 + n3 Entonces D + H + R = 1.0
•
Frecuencia Alélica.
Frecuencia del alelo R = p = 2n1 + n2 /2N p= D+½H Frecuencia del alelo r = q = 2n3 + n2 / 2N q=R+½H p+q=1 p=1-q Ejemplo Fenotipos
Nº de individuos RR rojos 400 Rr rosados 3000 Rr blancos 1600 Total 5000
Frecuencias genotípicas 400/5000 = 0,08 => 8% 3000/5000 = 0,6 => 60 % 1600/5000 = 0,32 => 32 % 1 100%
Frecuencia alélica R = 2 (400) + 3000 / 2 x 5000 = 0,38 Frecuencia alélica r = 2 (1600) + 3000 / 2 x 5000 = 0,62 , q = 0,32 + ½ (0,60) = 0,62
p = 1 – 0,62 = 0,38.
Conclusión: Las frecuencias génicas o alélicas pueden calcularse a partir de las frecuencias genotípicas, pero no se pueden calcular las frecuencias genotípicas a partir de las frecuencias génicas o alélicas. 153
27.3 Variabilidad en poblaciones naturales. Polimorfismo y heterocigosidad. En las poblaciones existe variabilidad debida a causas genéticas o bien, debida a causas ambientales. La variación genética puede medirse por: Polimorfismo y por heterocigosidad El polimorfismo es el mantenimiento de dos o más formas de gen en el mismo locus ó presencia de una serie de formas genéticas (y genotípicas) en una especie, debido a la presencia de varios alelos diferentes para un gen. Por lo general, los diversos fenotipos son originados por los alelos alternos de un gen. A nivel molecular, el polimorfismo se refiere a la coexistencia de patrones alternos de bandas o variantes de ADN que se evidencian mediante métodos de detección molecular.
Tipos de polimorfismos: • Polimorfismo por variaciones morfológicas: Ej. En arveja, lisos/rugoso; verdes/amarillos. • Polimorfismo cromosómico: Ej: número y morfología de los cromosomas • Polimorfismo inmunológico. Producción de antígenos en vertebrados. Ej: grupos sanguíneos: Sistema AB0, Sistema MN, Sistema Rh. • Polimorfismo proteico: Una proteína puede tener diferentes secuencias de aminoácidos (distinta carga neta). Heterocigosidad: Frecuencia media de individuos heterocigóticos esperados en condiciones de apareamiento aleatorio, se estima calculando la frecuencia de heterocigóticos para cada locus y dividiendo por el total de loci. En cualquier generación, la frecuencia de heterocigotos Aa se acercará o alejará del valor de 0.5 en cualquiera de las subpoblaciones (siempre que el alelo Aa no se haya fijado o perdido). Por tanto, la frecuencia de heterocigotos en cualquiera de las subpoblaciones puede aumentar o disminuir. Sin embargo, la tendencia media en el conjunto de las subpoblaciones es a que las frecuencias génicas deriven alejándose de los valores intermedios, hacia 0 o 1. Por tanto, la frecuencia media de heterocigotos, en el conjunto de subpoblaciones (y en la población total), tenderá a disminuir. Eventualmente, uno u otro alelo se habrá fijado en cada una de las subpoblaciones y la frecuencia media de heterocigotos caerá a 0. 154
Como ya hemos visto, es posible predecir la rapidez con que cabe esperar que disminuya la heterocigosidad de una población finita en función de su tamaño poblacional. Sewall Wright (1931) demostró que la heterocigosidad virtual promediada para el conjunto de subpoblaciones se ajusta a la relación: Ht = (1 – 1/2N) Ht-1 donde Ht y Ht-1 es la heterocigosidad de la población en las generaciones t y t-1, respectivamente, y N es el número de individuos reproductivos en la población. Puesto que el valor de (1 – 1/2N) varía siempre entre ½ y 1, la frecuencia esperada de heterocigotos en cualquier generación, será siempre menor que la frecuencia de heterocigotos encontrada en la generación previa. Cuanto menor sea el tamaño poblacional, más rápido será el descenso en la frecuencia de heterocigotos (Figura 53). Figura 53. Descenso medio de la heterocigosidad en poblaciones de diferentes tamaños (N) como consecuencia del proceso de deriva genética. El eje de ordenadas muestra la proporción de la frecuencia inicial de heterocigotos que conserva la población.
Fuente.http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/joaquina/BOXES_CCAA/TAMAGNO_EFEC TIVO/tamagno_efectivo.htm
La formulación teórica desarrollada hasta ahora, parte de un modelo concreto de población fragmentada que asume que cada una de las subpoblaciones es una POBLACIÓN IDEAL formada por N adultos reproductivos. En estas poblaciones, la tasa de cambio por deriva puede describirse en función del descenso en la frecuencia de heterocigotos.
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28. Lección 28. Medidas de tendencia central. Los procedimientos de mejoramiento vegetal generan datos que necesitan ser procesados de acuerdo a los objetivos que se persiguen en éstas como son: Análisis de estabilidad, heredabilidad, estimadores de varianzas, avance genético e índices de selección Un carácter cuantitativo en una población grande indica relativamente que muy pocos individuos poseen fenotipos extremos de los que fue origen y que a medida que se incrementa una cantidad mayor de sus individuos se acerca más al promedio. Como los caracteres cuantitativos exhiben una distribución continua de fenotipos, no pueden ser analizados de la misma manera que los caracteres controlados por genes mayores. Estos caracteres se describen entonces en términos de parámetros estadísticos. Los dos utilizados principalmente son: la media y la varianza. •
La media aritmética es el valor fenotípico promedio para un carácter cuantitativo que se distribuye normalmente en una población y está dado por la suma de las mediaciones individuales (Xi) divididas entre el número de individuos.
Debido de lo difícil de medir cada individuo en una población, se toman muestras significativas de la misma y sobre ella se estiman los valores de la población, lo que se denomina parámetro. Así pues, si la muestra es bien representativa de la población total de la que forma parte, entonces X promedio debe ser una estimación precisa de la media de la población completa (µ); a mayor tamaño de la muestra, los datos estadísticos o medidas derivadas de la muestra se estiman con mayor precisión. •
Varianza = S2 = (xi - x )2/(n-1)
La desviación estándar es un parámetro estadístico también relevante porque se encuentra expresado en las mismas unidades que la media. •
Desvío estándar = S = S 2
La media es el valor promedio de la distribución. Dos distribuciones pueden tener la misma media pero muy diferentes curvas con forma marcadamente diferente. Una distribución amplia sugiere un gran rango de variación, 156
mientras que una distribución estrecha ocurre cuando el rango de los valores observados es pequeño.
La varianza es una medida de la variabilidad de la distribución. La gráfica siguiente muestra dos distribuciones con la misma media pero varianzas diferentes (б). Una manera simple de describir una distribución es en términos de su media y su desviación estándar. La media + - la desviación estándar abarca el 66% de la distribución. De manera que una desviación estándar más grande sugiere que la distribución es más amplia que aquélla con una desviación estándar menor. Además el 95% de toda la distribución se encuentra entre +dos desviaciones estándar a partir de la media y el 99% de la distribución se encuentra entre +- tres desviaciones estándar. Figura 54. Representación de la distribución normal, campana de Gauss.
La representación de este tipo de distribución simétrica que tiene forma de campana de Gauss, se denomina distribución normal 157
29. Lección 29. Medidas de variabilidad. El valor fenotípico para un individuo específico es el resultado de factores genéticos, factores ambientales y la interacción entre ambos tipos de factores. La suma de estos factores contribuye a la varianza de la población de individuos que están segregando para un carácter cuantitativo. Es así que la varianza total se puede subdividir de la siguiente manera: VP= VG + VE + VGE VP: Variación fenotípica total para la población que está segregando. VG: Variación Genética que contribuye a la varianza fenotípica total VE: Contribución ambiental a la variación fenotípica total VGE: Variación asociada a las interacciones de los factores genéticos y ambientales. La variación genética puede a su vez subdividirse en tres componentes. El primer componente es el llamado variación genética aditiva. Algunos alelos pueden contribuir con un valor fijo al valor métrico del valor cuantitativo. Por ejemplo si los genes A y B controlan el rendimiento en el maíz (realmente está controlado por muchos genes) y cada alelo contribuye en forma diferente al rendimiento de la siguiente manera: A = 4, a=2, B= 6, b = 3. Entonces el genotipo AABB tendrá un rendimiento de 20 (4+4+6+6) y el genotipo AaBb tendrá uno de 15 (4+2+6+3). Los genes que actúan de esta manera son aditivos y contribuyen a la varianza genética aditiva (VA). Además de los genes que tienen un efecto aditivo sobre un carácter cuantitativo, existen otros que pueden poseer una acción dominante que enmascara la contribución de los alelos recesivos en ese locus. Por ejemplo, si los dos genes que se mencionan exhibieran dominancia el valor métrico del genotipo heterocigota AaBb sería de 20. Este valor es igual al del homocigota dominante. Esta fuente de variabilidad se atribuye a la Varianza genética por dominancia (VD). El otro tipo de varianza genética, está asociada a las interacciones entre los genes. La base genética de esta varianza es la epistasis y se denomina Variación genética por interacción (VI). La Varianza Genética Total puede subdividirse en tres formas de varianza: VG = VA + VD + VI La Varianza Fenotípica Total tiene entonces los siguientes componentes: VP = VA + VD + VI + VE + VGE
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Los fitomejoradores cuantitativos pueden estimar qué proporción de la varianza fenotípica total es atribuible a la varianza genética total y cuál se atribuye a la varianza ambiental realizando experimentos específicos. Si los fitomejoradores están tratando de mejorar un rasgo cuantitativo tal como rendimiento o ganancia en peso, el estimar la proporción de estas varianzas proveerá una dirección a sus investigaciones. Si una gran proporción se debe a la varianza genética entonces se pueden obtener ganancias seleccionando individuos cuyo valor métrico es el deseado por el fitomejorador. Por el contrario si la varianza genética es baja, lo que implica que la varianza ambiental es alta, se obtendrían resultados más exitosos optimizando las condiciones ambientales. Es conveniente aclarar que éstas no son las únicas dos alternativas. Los caracteres con baja heredabilidad pueden ser objeto de selección pero requieren procedimientos más complejos que la selección fenotípica directa. Estos procedimientos, con una importante contribución de la estadística, intentan eliminar la interferencia producido por la varianza ambiental de modo de reconocer la contribución genética. Para realizar un estudio genético se debe definir perfectamente la población de la cual se desea hacer inferencias; a su vez, la definición de la población o del material genético implica su descripción mediante parámetros genéticos de distinta índole. Este primer paso es fundamental no sólo para definir los procedimientos estadísticos correctos que se emplearán, sino para entender la validez y la extensión de las conclusiones a las que se llega. Para ello es necesario comprende la diferencia entre un modelo fijo, (el mismo material que se evalúa, es la población que se desea estudiar y sirve de referencia) y el modelo aleatorio, (se evalúa una muestra que se espera sea representativa de la población de referencia que se caracterizará). En este caso, no es posible conocer los parámetros poblacionales sino sólo una aproximación a los mismos, más o menos precisa, es decir, los estadísticos o estimadores muestrales. Ceballos (2007) Genéticamente, uno de los parámetros de variabilidad mas útiles de una población es la desviación estándar (σ). Una muestra de una población elegida al azar tendrá una desviación estándar (S) . Para calcularla se utiliza la siguiente formula.
El objetivo del análisis de varianza es probar la homogeneidad de los tratamientos; es decir, si los efectos de los tratamientos son idénticos o no, por supuesto con un cierto nivel de riesgo. 159
El análisis de varianza ANAVA, se utiliza para el análisis de diseños experimentales de efectos aleatorios como; bloques completamente al azar, parcelas divididas, cuadrados y rectángulos latinos y látice; en el que se realiza comparación del valor promedio de una muestra Χ, con su respectiva media poblacional µ, o con la media de otra muestra de referencia; comparación de dos promedios en función de las diferencias de sus poblaciones, para probar homogeneidad entre tratamientos; comparación de valores promedio de dos muestras independientes. En todos estos casos, se utiliza una potente prueba, el test de Student (t) Generalmente las muestras comparadas deben tener un tamaño tal, que en conjunto se reúnan más de 30 datos, ya que el número de grados de libertad con que se analiza la t es igual a (n1 + n2) – 2, donde n1 y n2 son los tamaños de las respectivas muestras. En esta prueba, al igual que en la correlación y la regresión, es muy importante que el tamaño de la muestra no sea muy pequeño, porque la más leve dispersión intra-muestral, produce un valor de t que no permite hacer amplias las diferencias entre los tratamientos, si la cantidad de grados de libertad no es alta. El análisis de correlación, su objetivo es conocer si dos ó más variables están relacionadas entre sí y en que grado y sentido lo hacen El Análisis de regresión, presupone una relación de causalidad entre dos variables relacionadas y establecimiento a priori, de un efecto (y, variable dependiente) y una causa (x, variable independiente). La variable independiente es medida generalmente sin error y es pre-fijada por el investigador. La variable dependiente se mide con error y su variabilidad responde a la variación deliberada de la variable independiente Modelo estadístico de la regresión lineal: y = a + bx (1) Este ajuste en más perfecto, cuanto menos se alejen los valores de y observados de los teóricos obtenidos a partir de la función ajustada. Esto puede estimarse a partir del cálculo de los coeficientes de determinación (r2), que oscilan entre 0 y 1 y entre 0 y –1, y representan el porcentaje de variación de la variable y que es determinado por las variaciones de la variable x. Figura 55. Representación de la regresión lineal y de la cuadrática
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30. Lección 30. Aptitud combinatoria La aptitud combinatoria (AC) es la capacidad de un genotipo (línea consanguínea, individuo o clon) o de una población, de dar descendencia híbrida caracterizada por la alta expresión de un carácter. En otras palabras la AC, es el método utilizado para escoger los mejores progenitores La AC. mide la capacidad para producir heterosis en ciertos caracteres y se cuantifica, evaluando el comportamiento del genotipo o población en todos los cruzamientos posibles. Si el genotipo produce buenos híbridos en todos los cruzamientos en los que participa, se dice que tiene buena aptitud combinatoria general (ACG). Si sólo es con determinados genotipos, se dice que tiene buena aptitud combinatoria específica (ACE.). La aptitud combinatoria es hereditaria. En un programa de mejoramiento cuya finalidad sea la obtención de híbridos, la ACE es más importante que la aptitud combinatoria general, debido a que se aprovechan los efectos no aditivos como la dominancia y la Epístasis (Hoegenmeyer & Hallahuer 1976).
30.1 Evaluación de la aptitud combinatoria general (ACG.) Como ya se había mencionado la ACG, se define como el comportamiento medio de una línea en combinaciones híbridas. La ACG está relacionada a factores genéticos con efecto aditivo. Al principio, para probar la aptitud combinatoria general de las líneas consanguíneas, se cruzaban todas las líneas entre sí. Si tenemos n líneas, el número de híbridos posibles es n(n-1)/2, si se hace en una dirección y n(nl) si se hacen los recíprocos. Así, si tenemos 30 líneas la AC. será. 30(29)/ 2 = 435. Nos encontramos que tenemos que analizar 435 cruzamientos (sin incluir los recíprocos). Como se hacía imposible manejar todo ese material, se idearon distintos procedimientos para ensayar la aptitud combinatoria sobre la base de cruzamientos naturales. Entre esos métodos cabe destacar: • Top-cross • Policruzamiento • Cruces dialelos • El top-cross: es un método para averiguar la aptitud combinatoria general de líneas puras o consanguíneas. Este método consiste en cruzar cada línea consanguínea (actuando como hembra) con una variedad utilizada como probador o "tester", que actúa como polinizador. 161
El diseño es el siguiente.
LC = Línea consanguínea. Se siembra el probador entre cada 4 ó 5 hileras de las líneas consanguíneas. Como probador o "tester" se suele utilizar una buena variedad de polinización abierta, autóctona del área donde se cultivará el híbrido. El probador tendrá una amplia base genética, es decir, tiene que ser una población que produzca gametos con diversos genotipos. La diversidad de los gametos del probador permite una valoración de la aptitud combinatoria general de cada línea, ya que la progenie de cada línea será el resultado de cruzamientos de la línea con distintos genotipos. • En el cruce dialelo: se cruza cada línea con todas las demás de todas las formas posibles. Este método que indudablemente da mucha exactitud, resulta imposible de llevar a la práctica cuando el número de líneas es elevado. • El método del policruzamiento: es el más utilizado, consiste en obtener la descendencia de cada línea por todos los demás, realizar un ensayo comparativo de las descendencias y seleccionar las líneas cuya descendencia policruzada tiene mayor productividad. Las líneas seleccionadas son, por tanto, las que muestran mejor ACG.
30.2 Evaluación de aptitud combinatoria específica ACE. Tal como se dijo arriba, la ACE es el comportamiento esperado sobre la base del comportamiento promedio de las líneas involucradas. la ACE esta relacionada con factores genéticos con efecto no aditivo (dominancia y Epístasis). Se usa para designar aquellos casos en que ciertas combinaciones tienen un comportamiento relativamente mejor o peor de los que se podría esperar basados en el comportamiento promedio (ACG) de las líneas parentales Es de fundamental importancia la aptitud combinatoria en híbridos dobles. Es importante recordar que no interesa cuán buena es una línea consanguínea en un híbrido simple, ya que el mismo carecerá de valor comercial si no se comporta como un buen parental en un cruzamiento doble. 162
30.3 Selección recurrente para aptitud combinatoria general En el mejoramiento de variedades o poblaciones alógamas o de las líneas consanguíneas, es muy importante la selección teniendo en cuenta la aptitud combinatoria tanto general como específica. En cualquier caso se puede proceder del modo siguiente: Se elige un probador adecuado, el cual podrá ser, un genotipo con lo que los ciclos de recurrencia intentarán acumular genes para ACE, o puede ser una población, en cuyo caso se mejorará la ACG. El probador debe tener una base genética amplia. Elegido el probador, se siembra una parcela, con plantas espaciadas, de la población que se trata de mejorar y al mismo tiempo se siembra otra parcela del probador. En la primera de estas parcelas se eligen plantas por su morfología, resistencias, etc. (plantas S,) y se hace con ellas una doble operación consistente en autofecundarlas y simultáneamente, cruzarlas como padres (polen) con el probador (como hembra). Como se trata en general de plantas en las que cada individuo tiene varias flores o inflorescencias, esta operación es fácil de realizar. Pero aunque se tratara de plantas unifloras, siempre se podría utilizar el polen de una flor, tanto para autofecundarla como para polinizar una o varias flores del probador. En el segundo año, se siembran las descendencias obtenidas por autofecundación para realizar cruzamientos entre ellas de todas las maneras posibles, por polinización libre o por cruzamiento controlado. A la vez se hacen ensayos comparativos con las descendencias obtenidas con el probador; ensayos que indicarán cuáles son las plantas de la población original que muestran mejor ACG. Entonces, de las combinaciones realizadas entre las descendencias obtenidas por autofecundación, sólo se eligen las que incluyen las procedentes de plantas con buena ACG. El siguiente ciclo de selección empezará con las plantas obtenidas en los cruzamientos no eliminados. El proceso será el mismo. Si la segunda etapa de cada ciclo se realizara en dos años en lugar de simultáneamente, entonces cada ciclo duraría 3 años. Este método es útil para aumentar el rendimiento y las condiciones de adaptabilidad de un gran número de cultivos de alógamas.
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30.4 Selección recurrente para aptitud combinatoria específica La estrategia de este método es igual al descrito anteriormente, excepto que el probador tiene una base genética estrecha o restringida. Es decir, puede ser una línea pura, clon, etc. Figura 56. Representación esquemática del proceso de mejora utilizando AC.
Fuente: Ramirez L.
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UNIDAD 3 MÉTODOS DE MEJORAMIENTO GENÉTICO DE PLANTAS
INTRODUCCIÓN La selección es una herramienta fundamental en el mejoramiento genético de las plantas. De hecho, la clave del éxito del fitomejorador no es tanto el método que use como la habilidad de reconocer los tipos superiores en un limitado o amplio rango de variabilidad de las plantas. El propósito de esta unidad es presentar los diferentes métodos de selección que han venido siendo utilizados en el mejoramiento de plantas autógamas y en las plantas alógamas, aunque algunos de ellos, son utilizados indistintamente.
OBJETIVOS 1. Qué el estudiante conosca y se apropie de las diferentes metodologías utilizadas para el cruzamiento de plantas con vistas al mejoramiento genético. 2. Diferenciar entre los métodos de selección individual y de selección masal así como los objetivos que persigue cada uno de ellos. 3. Reconocer la metodología de mejoramiento por el método de Pedigrí 4. Conocer las metodologías utilizadas en la selección de poblaciones 5. Reconocer la metodología de retrocruzamiento como herramienta fundamental del mejoramiento de plantas.
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CAPITULO 7. Métodos de mejoramiento de plantas autógamas
INTRODUCCIÓN. Las plantas autógamas son aquellas que se reproducen sexualmente por autofecundación. La autogamia absoluta no es común, si bien se consideran prácticamente autógamas, desde el punto de vista de mejora genética, aquellas plantas con menos de un 5% de alogamia. La autogamia puede deberse a un mecanismo floral de cleistogamia, por el cual las anteras liberan el polen sobre el propio estigma, que está receptivo, con la flor cerrada. De esta manera se evita la entrada de polen extraño. Esto ocurre por ejemplo en el trigo, la cebada, la avena y la mayoría de las variantes del arroz. En otras plantas no existe este mecanismo floral, las flores se abren, pero la proporción de fecundación cruzada puede ser tan pequeña como en las cleistogámicas, como es el caso del fríjol, la arveja, el algodón, el tomate, el tabaco y el sorgo. En el programa de mejora de plantas autógamas, contrario a lo que se piensa, hacer los cruzamientos es lo que menos tiempo ocupa; aunque es necesario emascular, es decir, quitar las anteras de las plantas que actuarán como parental femenino o como madre y aislarlas, para que no reciban el polen no deseado, más tarde cuando el estigma esté receptivo, se transfiere el polen de la planta que se desea que actúe como parental masculino. En algunos casos se pude sembrar a diferentes tiempos con el fin de que solapen la maduración de la parte femenina y masculina. Como se estudiará en este capítulo, a partir de este procedimiento, se inicia el verdadero trabajo de mejoramiento. OBJETIVOS 1. Reconocer las diferencias entre el método de selección individual y de selección masal 2. Conocer las características del método de Selección genealógico 3. Conocer las características del Metodo de Selección de Población 4. Conocer los principios del retrocruzamiento y su aplicabilidad al mejoramiento de plantas.
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31. Lección 31. Selección individual La selección individual es unos de los métodos de selección más importantes en las poblaciones variables de plantas autógamas. Este método se basa en el principio por el cual un genotipo, en su descendencia, se reproduce de forma más o menos uniforme dependiendo de su patrimonio genético más o menos estable y homocigótico. El primer fitomejorador de que se tenga reporte, que realizo selección individual fue John Le Couter quien publico sus trabajos en 1843. Agricultor de la isla de Jersey, se dio cuenta de la diversidad de tipos en su campo de trigo y descubrió que la descendencia de plantas individuales era marcadamente uniforme y que existían diferencias en valor agronómico entre las distintas selecciones (Allard, 1967). Con los trabajos de Johannsen (1903 -1926) se establecen las bases científicas para la selección de especies autógamas cuando definió las “líneas puras” como la descendencia de un individuo homocigoto autofecundado. Puso de manifiesto que la autofecundación continua de las líneas conducían a la homocigosis, efecto descrito por Mendel, quien demostró que partiendo del heterocigoto Aa, la autofecundación continua daba lugar a una disminución en la heterocigosis de un medio por generación. En unas pocas generaciones se llega a una población con igual número de individuos AA y aa y una proporcion muy pequeña de heterocigotos. Para implementar un programa de selección individual se deben cumplir tres etapas diferentes: En la primera etapa se hace un gran número de selecciones en la población original genéticamente variable; este paso es sumamente importante porque en los individuos seleccionados se encuentra casi toda la diversidad genética con las formas más favorables necesarias en el proceso de mejora, máxime si recordamos que la selección no puede crear variabilidad genética. Deben hacerse tantas selecciones iniciales como las posibilidades de tiempo, dinero y espacio lo permitan; además, debe cultivarse la población sobre la cual ha de hacerse la selección de tal manera que se puedan estudiar fenotípicamente los individuos y después sea posible seleccionar los que más interesan por un carácter determinado. En la segunda etapa, se cultiva para su observación la descendencia de las selecciones individuales de planta; se siembran en filas separadas las semillas producidas por cada planta. Se originan líneas puras con las que se pueden comprobar caracteres determinados (resistencia a enfermedades, tamaño, peso, etc.). Se continua realizando más selección y cultivo por varios 167
años eliminando las formas no convenientes hasta reducir mucho el número de líneas. En el momento en que todas las plantas de la parcela sean similares entre sí, tanto que el fitomejorador ya no pueda decidir entre líneas basándose solo en su observación y siendo necesario realizar cálculos estadísticos, en este momento se pasa a la siguiente etapa, para entonces se puede tener la certeza de que la población obtenida son realmente líneas puras. La tercera etapa es entonces la selección basada en comparaciones estadísticas de las diferentes líneas entre sí y con las variedades comerciales conocidas con las mejores características de rendimiento u otros caracteres. Se procede entonces a seleccionar la mejor línea para su distribución y se inicia la multiplicación de la semilla. La selección de una línea pura puede ser llevada a la práctica como siempre ha sucedido por los agricultores quienes identifican plantas que sobresalen en sus cultivos. Una vez que se tiene aislada una línea pura superior, seleccionar dentro de esta línea no tiene sentido. Todas las plantas de esta línea tienen el mismo genotipo, la superioridad o inferioridad depende del efecto del medio ambiente. La selección de las plantas superiores dará lugar a una descendencia con un peso promedio de los caracteres seleccionados igual al de la población original. Se puede concluir entonces que no habrá respuesta a la selección (h2=0, R =0). El riesgo que se corre con este método es la segregación en generaciones posteriores y la pérdida del carácter seleccionado, así como el descarte de las progenies sin una evaluación estricta. El método es más de selección fenotípica en función de los criterios establecidos para la selección y su eficiencia dependerá de la facilidad con que se pueda identificar el o los caracteres deseados. Las líneas puras pueden dejar de serlo por mezclas mecánicas con semillas de otras variedades, por cruzarse en forma natural con otras variedades y por mutaciones. Existen muchos ejemplos que ilustran la selección individual en la obtención de variedades en especies comerciales, como son las variedades mas importantes de los Estados Unidos de trigo que proceden del trigo de Turkey, las cuales tienen también la misma adaptación general y productividad que la variedad original, sin embargo todas ellas presentan una evidente mejora en una o más características importantes como, mayor precocidad, caña mas fuerte o resistencia a enfermedades con respecto a las del trigo de Turkey. 168
La variedad Columbia de avena es otro buen ejemplo, la cual se obtuvo de una sola planta seleccionada de la variedad Fulghum en los campos agrícolas de Missuri, en 1920. La línea que se obtuvo de esta planta, fue más precoz, de mayor altura, mayor uniformidad y de mas rendimiento que el Fulgghum, a la vez la variedad Fulghum, también había sido seleccionada por un agricultor mejorador de Warreton, Georgia, quien observó una planta que era más alta y más precoz que las restantes plantas de su parcela de la avena “Red Rustprof”. El, recolectó la planta y multiplicó la semilla dando origen a la variedad Fulghum. La variedad autóctona; variedad local, variedad indígena, son poblaciones mayormente homocigóticas que tienen tres características principales: • Son endémicas de un área, sus orígenes se remontan a varios cientos de años. • Son una mezcla de tipos (genotipos). • Están bien adaptadas al ambiente en el que se cultivan. La mayoría de las variedades autóctonas no tienen buenas cualidades desde el punto de vista agronómico. Generalmente son menos productivas que las variedades mejoradas, su variabilidad las hace difícil de cultivar y cosechar mecánicamente. Sin embargo, es interesante mantener estas variedades indígenas heterogéneas porque es muy probable que en ellas se encuentren genes de interés para la adaptación a suelo y a condiciones climáticas específicas y para resistencias a plagas y enfermedades locales.
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32 Lección 32. Selección masal. El método de selección masal, consiste en elegir dentro de una población de plantas, las mejores plantas o las que se acerquen más a las características deseadas (selección individual) y recoger sus semillas reuniéndolas en una mezcla de todas las plantas seleccionadas para sembrar una nueva parcela, de la cual se vuelven a tomar los individuos mas deseables, para obtener nuevamente su semilla y proseguir así generación tras generación de la misma forma el proceso de selección. Una forma más refinada de la selección masal es cosechar las mejores plantas separadamente y cultivarlas como líneas puras para compararlas entre sí. Una vez evaluadas, las líneas puras superiores y similares se mezclaran para mejorar una variedad ya establecida. En muchos casos la selección masal es el primer paso en la mejora de las variedades autóctonas. Aplicando este método, las características que han hecho que la variedad autóctona tenga éxito, se mantendrán y obviamente todos los defectos se eliminarán. Cuando se quiere introducir un nuevo cultivo en un área, la mejora inicial del mismo comienza por la realización de una selección masal. Por eso se puede decir que este es el método más antiguo utilizado por los seleccionadores de las viejas variedades, para conservar la pureza o la homogeneidad y también para llegar a su constitución a partir de poblaciones indiferenciadas. Con la selección masal llegamos a n genotipos. En cuanto se refiere, por ejemplo, al carácter rendimiento, este tipo de selección ofrece bastante uniformidad debido a que la variabilidad ambiental hace que los n genotipos se adapten más y por tanto, la variedad se adapte mejor. El arroz es una planta considerada autógama,sin mebargo tiene cierto grado de aptitud para el cruzamiento espontáneo. Con motivo de éste y de las mutaciones, se puede llegar a constituir una nueva variedad por un proceso gradual, que será tanto más largo cuanto menos uniforme sea el material genético de origen. Aunque las variedades más antiguas, incluida la Balilla, se hayan obtenido según este sistema, el método sirvió fundamentalmente para conservar la pureza de las semillas de las variedades en cultivo. Actualmente, se hace selección masal para mantener las características de las variedades establecidas . Por regla general, esto implica la cosecha de alrededor de 200 plantas típicas de la variedad. El número de plantas debe ser grande para preservar la identidad y la variabilidad original de la variedad. Estas plantas se cultivan en hileras y las que no son típicas de la variedad se destruyen antes de que florezcan. Las restantes se cosechan en masa. Este 170
proceso se repite tantas veces como sea necesario a fin de mantener las características de la variedad. Este proceso de selección con plantas autógamas puede llevarnos a la obtención de resultados más rápidos y definitivos. Las ventajas de esta metodología de selección son: •
La sencillez y la rapidez con que se puede efectuar la mejora de variedades locales y la liberación de una variedad.
•
Es sencilla por que cualquier persona (campesino o agricultor) puede realizarla una vez ha aprendido el procedimiento ya que en el campo es fácil identificar las mejores plantas dentro de una población.
•
Se pude aprovechar mejor el germoplasma, debido a que se maneja un grupo mayor de plantas
•
Es económica porque no se llevan a cabo polinizaciones, evaluaciones, etc.
•
Este método puede ser utilizado para purificar variedades existentes.
Las desventajas que presenta el método son: •
No se conoce si las plantas que se están seleccionando son homocigóticas o heterocigóticas
•
Las plantas que están en estado heterocigótico, segregan en la generación siguiente, obligando al fitomejorador a repetir la seleccion.
•
El ambiente en el que la planta crece afecta su desarrollo y apariencia. Con la selección masal no es posible conocer si el fenotipo seleccionado es superior en apariencia debido a la herencia o al ambiente.
• No se ha determinado experimentalmente el tamaño idóneo de la población para la selección ni la proporción de líneas que se han de seleccionar, pero se aconseja trabajar con poblaciones de varios centenares o millares de plantas; con respecto a la intensidad de selección, se debe aplicar una que permita eliminar un buen numero de estas sin alterar las principales características agronómica de la variedad. La principal diferencia entre la selección individual y la selección masal en las plantas autógamas, es el número de líneas que se conserva. En la selección individual el tipo obtenido procede de una sola línea pura. En la selección masal se conserva la mayoría de las líneas seleccionadas. La selección 171
masal en plantas autógamas tiene un menor uso en relación con la selección de plantas individual Un ejemplo de selección masal se puede citar el caso de la variedad de cebada de Missouri Early Beardless, la cual se origino de un lote de semilla comprado por un agricultor de Missouri en el otoño de 1931, que al cultivarlas observo que un 25% de las plantas eran más pequeñas y precoces que las demás. Muchas de dichas plantas precoces se cosecharon a mano y se mezcló su semilla. Posteriormente se realizó una selección de varios cientos de plantas con un fenotipo similar, se cosecharon y se mezclaron las semillas. En el segundo año se siembran las semillas con pruebas preliminares de rendimiento, se observa y se compara la altura, precocidad, acame, tolerancia a temperaturas bajas, resistencias a las enfermedades y calidad. Del tercero a sexto año, se continúa con las pruebas de selección relacionadas con el rendimiento, comportamiento y adaptabilidad, comparándolas con variedades tipo como testigo. En el séptimo año se da inicio a la multiplicación de la semilla para su distribución. (Figura #.) Figura 57.Método de Selección masal
La progenie de una cruza se siembra de forma masal hasta la generación F5, en la F5, la progenie se siembra por plantas individuales, se seleccionan las plantas o espigas, en la F7 se siembran en surcos por espigas o por planta. Se seleccionan los surcos sobresalientes, los cuales nuevamente se multiplican en siembras por surcos como pruebas de rendimiento en la F8. las líneas mas sobresalientes, se prueban en ensayos de rendimiento, de la generación F9 a F13.
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33 Lección 33. Método genealógico ó pedigrí La selección basada en el método genealógico en las especies autógamas, consiste esencialmente en la aplicación práctica de los métodos mendelianos, en la que se elige los progenitores teniendo en cuenta sus caracteres favorables, con el fin de cruzar entre sí líneas progenitoras en las que cada una contenga caracteres en las que la otra está en desventaja; posteriormente se selecciona plantas individuales en la población segregante de un cruzamiento, tomando como base sus buenas características agronómicas juzgadas individualmente y los datos de su genealogía. Este método de selección es bastante sencillo y eficiente para seleccionar caracteres de tipo oligogénicos (controlados por algunos genes), como es el caso de la altura de planta, la precocidad y los mayores componentes del color de grano. El principio de este método es que en cada generación se debe seleccionar las mejores plantas presentes en las mejores familias y luego sembrar sus descendencias en “panícula por surco”. La selección en la descendencia del cruce inicial se realiza por varias generaciones, hasta encontrar un elevado número de líneas que posean los caracteres deseados. Puede ocurrir que muchas de las líneas sean ya homocigóticas para todos los caracteres en la generación F5. En la generación F2 se anotan las características de todas las plantas y se seleccionan las adecuadas. Las plantas F2 seleccionadas producen semillas por autofecundación, las semillas de una planta de la F2 forman una familia de la generación F3, que será una línea. Los primeros criterios de selección en la F2, están referidas a vigor, fecha de maduración, resistencia a enfermedades o a algunos insectos etc. En la F3 y en generaciones más avanzadas, las selecciones deben estar relacionadas especialmente con datos preliminares de rendimiento. La acumulación de información es de vital importancia a la hora de tomar decisiones sobre que líneas se deben eliminar y cuales deben de seguir en el programa de mejora. Al manejar poblaciones híbridas de plantas autógamas, el fitomejorador debe tener siempre en mente, que se está cambiando la estructura genética de la población. Un punto fundamental a considerar es que el potencial máximo de un cruzamiento (esto es el mayor número de fenotipos y genotipos segregantes) lo obtiene en la F2. Las generaciones sucesivas a la F2 repetirán básicamente las características de ésta. Otro punto importante es que la heterocigosis disminuirá rápidamente de modo que las progenies derivadas de la selección de una planta serán tanto más homocigóticas ( F2 ...F5) cuanto mayor sea el número de generaciones del programa de mejoramiento. Esto significa que el fitomejorador está evaluando el 173
comportamiento de plantas individuales desde generaciones tempranas y luego evaluará las familias y líneas derivadas de ellas. El número de plantas F2 deberá ser 10 a 20 veces más el número deseado de familias F3 . Un número manejable de plantas serían 5000. En la F3 las semillas de las 250 plantas de la F2 se siembra en una línea y el tamaño de la familia debería ser lo suficientemente grande para mostrar la variabilidad existente en ella. La selección se hace a nivel de planta, se hace énfasis en familias que sean uniformes. No se descartan individuos que sobresalen en otras familias que habitualmente se hubieran descartado. El número de selecciones raramente excede el número total de familias F3. Puede asumirse que se hacen 150 selecciones y que 25 de ellas se descartan después de llevar el material al laboratorio. En la generación F4 la selección es similar a la anterior. Se tiene 125 familias y 12 variedades control, aún cuando las familias se muestren homogéneas se hará selección de planta. La F4 ofrece una buena oportunidad para reducir el tamaño de la población. Esta reducción se hace visualmente y analizando el pedigrí. Aquí suponemos que se cosechan 100 plantas procedentes de 40 familias y que el número se reduce a 90, después de analizarlas en el laboratorio. En la generación F5 la selección es semejante a la F4. La diferencia radica en que se usan parcelas más grandes, cuyas dimensiones se asemejan bastante a las condiciones de campo. Las selecciones que se hacen se basan en: pedigree, apariencia visual, y rendimiento por parcelas, si éstas son lo suficientemente grandes. Como en F4, se eligen alrededor de 100 plantas, que se reducen luego a 80, después de pasar por el laboratorio. Al hacer las selecciones, asumimos que las plantas son homocigóticas. Por tanto, las selecciones deben hacerse de familias que se muestren uniformes. Para la generación F6 la unidad de selección no es la planta individual, sino la familia derivada de una única planta. En este momento las parcelas se cosechan en conjunto y no separadamente la semilla de cada planta. Por tanto, la tasa de siembra se aproxima mucho a la siembra que se hace con fines comerciales. El tamaño de siembra será lo suficientemente grande como para permitir una identificación visual rápida de cada familia y si es posible también obtener valores de rendimiento. Si se dispone de abundante semilla, se deben hacer repeticiones de parcela. Si se tiene 80 selecciones la parcela de siembra será similar a la F5 . La selección, al igual que la F5 , tiene en cuenta, no sólo el pedigrí, sino también el comportamiento en parcela. Probablemente 15 de las familias más uniformes y prometedoras se conservan después de hacer evaluación visual, análisis de rendimiento y análisis de laboratorio. 174
En la generación F7, las 15 selecciones y variedades control se siembran en pruebas replicadas utilizando un diseño de bloques al azar. Aproximadamente 4 ó 5 selecciones sobrevivirán esta prueba que incluye pruebas de calidad. En las generaciones F8 a F10 durante 3 años como mínimo y en algunos casos hasta 5, se repetirán pruebas como la efectuada en F7. en diferentes localidades de la misma área donde se iniciará la producción. Este procedimiento disminuirá el número de selecciones a uno o como máximo a dos. Ya en las generaciones F11-F12 se dedican a ensayos y pruebas en campo. Estos ensayos consisten en analizar parcelas de aproximadamente 0,4 Ha o más, que se siembran y cosechan como lo haría el productor. Durante este periodo se busca un nombre para la selección y se comienzan los trámites para el registro de las semillas en agencias para tal fin. El anterior procedimiento demuestra que se requieren aproximadamente 12 años para producir una variedad, 5 de los cuales se centran en seleccionar plantas aisladas y 7 para seleccionar poblaciones. Este esquema es flexible, ya que la selección de planta puede llevar de 4 a 8 años, y los test poblacionales de 6 a 8 años, razón por la cual una variedad de plantas autógamas necesita un período de 16 años, antes de iniciar su comercialización.
Ventajas e inconvenientes del método pedigrí •
El método de pedigrí permite más oportunidades que cualquier otro método para evaluar los resultados del cruzamiento si el fitomejorador conoce bien el cultivo y es lo suficientemente habilidoso para estimar el comportamiento en campo de cada planta en particular. Si no se tiene este conocimiento es mejor no iniciar un programa de mejora, utilizando esta metodología, ya que el método de selección masal permite lograr homocigosis con mucho menos trabajo.
•
Permite la eliminación temprana de los tipos con caracteres cualitativos, tales como susceptibilidad a enfermedades, altura, color de la flor, forma del fruto, etc. no deseables.
•
Permite la evaluación de selecciones en función de su comportamiento de año en año.
•
Permite llegar rápidamente a la homocigosis cuando la selección de planta única se traduce en progenie de planta única uniforme. 175
Las desventajas de este método son: •
Se trabaja con una cantidad limitada de material debido al tiempo que se consume para elegir planta por planta.
•
Es un método muy engorroso y requiere de mucho tiempo, ya que se requiere hacer el criadero (parcela de multiplicación) y la cosecha planta a planta.
Figura 58 . Método de selección genealógico
De las plantas seleccionadas en la F2, se siembran en surcos progenies de 25 a 30 plantas en la F3 de los mejores surcos se seleccionan las mejores plantas y se siembran por familias en la F4, la selección se repite en la F5 y F6, en la F7 las familias deberán ser relativamente uniformes, en la F8 se siembran pruebas de rendimiento preliminares, las que continúan hasta F12. Ver anexo 1. sobre mejoramiento por el método de Pedigrí.
176
34
Lección 34. Método por hibridación con selección masal.
Los mejoradores de plantas, en el pasado han utilizado el término hibridación para referirse a los cruzamientos entre distintas variedades o en algunos casos entre especies diferentes. En el siglo XX, el uso que se le da al término hibridación no es otro que el cruzamiento planificado entre parentales cuidadosamente seleccionados. Cuando un fitomejorador cruza (híbrida) 2 variedades de una planta autógama, su preocupación es: i) Saber los límites y naturaleza de la variabilidad en F2, o primera generación segregante. ii) El progreso de la población hacia la homocigosis completa y iii) La naturaleza de la combinación génica más adecuada. El cruzamiento (la hibridación) puede ser intraespecífico, cuando se refiere al cruzamiento entre individuos de la misma especie o interespecífico, cuando los individuos cruzados son de distintas especies. En este caso nos referiremos sólo a los cruzamientos intraespecíficos. Cuando se realiza un cruzamiento entre líneas puras la F1 es genotípicamente heterocigótica y genotípicamente homogénea. En la F2 (primera generación segregante), de dicho cruzamiento aparecerán genotipos recombinantes, que reúnen caracteres que antes estaban separados en los dos parentales. El número de recombinantes de la F2 dependerá de: El número de genes diferentes en ambos parentales; el número de alelos en cada locus; del ligamiento génico frente a segregación Se siembra la generación F2 en una parcela lo suficientemente grande para cultivar varios cientos a miles de plantas, esta parcela se cosecha en conjuntos y la semilla reunida se utiliza para sembrar un nueva parcela en el siguiente periodo. El proceso se repite tantas veces como crea conveniente el fitomejorador. En éste periodo de multiplicación masal, la selección natural juega un papel muy importante desviando las frecuencias genéticas en la población según las condiciones ambientales reinantes. El fitomejorador decide en que momento del proceso efectúa la selección para desviar la población hacia los tipos agronómicamente convenientes, eliminando de la población los genotipos no deseados, especialmente cuando estos son buenos competidores. El cultivo en masa puede terminar tan pronto como la generación F2 en este caso, no difiere del típico procedimiento genealógico. Por otra parte, si no se dan las condiciones adecuadas para la selección durante algunos años, el cultivo en masa de la descendencia se puede continuar por muchos años.
177
Este tipo de selección es adecuado para poder manejar poblaciones grandes segregantes, aumentando la probabilidad de encontrar tipos con productividad alta entre los caracteres deseados, aumentando la homocigosis durante todo el periodo de multiplicación masal y por tanto las selecciones hechas después de unas pocas generaciones serian seguramente líneas puras.
178
35
Lección 35. Método de retrocruzamiento
Es un método para mejorar variedades que son muy buenas para un gran número de caracteres, pero que también son deficientes para algunas pocas características. Puede considerarse como una variante de la hibridación. Primero se obtiene el híbrido entre dos parentales y a continuación se cruza con el parental que se considera más valioso. La progenie de este retrocruzamiento experimenta casi siempre una fuerte segregación y está formada por individuos que presentan una combinación de caracteres de ambos parentales y el carácter o caracteres a ser mejorados son mantenidos por selección, para al final del proceso obtener una nueva variedad exactamente igual al progenitor recurrente con la misma adaptación, productividad etc., pero superior a su padre en las características específicas para la cual se mejoró. El mejoramiento por retrocruzamiento es más fácil de manejar si el carácter que está siendo adicionado cumple con los siguientes requisitos: i) es de herencia simple, ii) es dominante y iii) es fácilmente reconocido en los híbridos. Por lo tanto, el retrocruzamiento tiene su mayor aplicación en la obtención de variedades resistentes a enfermedades y plagas. La transferencia de las características que se desean de la espacie B a la A, es posible gracias al mecanismo de introgresión. Esto ocurre en la naturaleza cuando los productos de cruzamientos de 2 especies se cruzan repetidamente durante varias generaciones con el parental A (por ejemplo). Los cruzamientos repetidos con la especie A significan que la población toma las características de A, sin embargo, por azar o por selección natural sobreviven algunas características de B, que se incorporan a la especie A. Cuando este proceso está controlado se dice que se aplica el método de mejora por retrocruzamiento o selección recurrente. La especie A se la denomina parental recurrente y a B genitor donante. Los genes de B incorporados en A se denominan genes bajo transferencia. La variedad de interés o línea consanguínea actúa como parental recurrente que se cruza con otra variedad que presenta un carácter de interés, no presente en el parental recurrente. Los productos del cruzamiento que llevan el gen o los genes (F1) se retrocruzan con el parental recurrente (se abrevia así BC’). Este proceso se repite con los productos de los retrocruzamientos, por lo general, se llevan a cabo 5 ó 6 retrocruzamientos. El número de veces que se usa el parental recurrente en un retrocruzamiento se indica por un subíndice o por superíndice. La población que se origina después del tercer retrocruzamiento se simbolizaría A4 x B, lo que significa el 179
cruzamiento original de A x B y 3 retrocruzamientos más A4. La última población de la figura # se simbolizaría A6 x B ó A6 x F2. Los retrocruzamientos pueden considerarse desde 2 puntos de vista: a) El Parental recurrente y su recuperación; y b) Como carácter que se transfiere y su recuperación. • Parental recurrente y su recuperación En este método de retrocruzamiento, se reconoce la existencia de una variedad superior ya probada, que en la mayoría de los casos está disponible. Frecuentemente, esta variedad es deficiente en algunos aspectos ej: puede ser susceptible a una raza patógena que produzca enfermedad, tener un tallo endeble, etc. Los agricultores están acostumbrados a esta variedad y la utilizan como forrajera. Cada vez que se hace el retrocruzamiento con el parental recurrente se reduce a la mitad el aporte del germoplasma del donante, Por tanto, si el número de retrocruzamientos con el parental recurrente es n, la proporción de germoplasma del genitor donante será de (1/2)n+1 y después de 5 retrocruzamientos sería (1/2)6= 1/64, que está representado por 1 de los 64 puntos de la variedad B. La proporción de homocigóticos se calcula por la misma fórmula que vimos anteriormente ((2m –1)/ 2m )n donde m =número de retrocruzamientos y n = el número de loci heterocigóticos en la F1 del cruzamiento original. Suponiendo que el número de retrocruzamientos productores es 5 y el número de loci heterocigóticos es 10, tenemos: ((2m –1)/ 2m )n = ((25 –1 )/ 25)10 = (31 / 32)10 = 72,8% de los BC5 F1 serán homocigóticos para 10 loci del genitor recurrente. El número de retrocruzamientos utilizados en los programas de mejora varía entre 3 a 10. Cuando se hacen 10, se logra prácticamente total identidad del genitor recurrente. Algunos fitomejoradores utilizan 5 ó 6 retrocruzamientos. Cuando se desee recuperar el genitor recurrente es recomendable durante el último retrocruzamiento cruzar a los descendientes con distintas plantas con el fenotipo del genitor recurrente. Esto se hace bajo el supuesto de que el genitor recurrente es la resultante de la síntesis de genotipos levemente diferentes. • Carácter que se transfiere y su recuperación Cuando la variedad donante tiene 2 caracteres para transferir es más eficiente transferir cada carácter en programas separados. Cuando se ha 180
completado las transferencias los caracteres pueden combinarse cruzando los tipos recuperados. Cuando un determinado carácter está controlado por un gen dominante es relativamente fácil transferirlo con un retrocruzamiento en cada generación. Esto se ha visto que es así cuando se incorporan genes de resistencia por retrocruzamientos y se cultivan las poblaciones bajo condiciones naturales o artificiales de infección. Si el carácter que se desea transferir está controlado por un gen recesivo es aconsejable cultivar las generaciones de retrocruzamiento hasta la F2 para permitir la identificación del genotipo homocigótico recesivo. Un procedimiento alternativo es retrocruzar dos o incluso tres veces en generaciones sucesivas y cultivar los productos del segundo y tercer retrocruzamiento a fin de encontrar plantas homocigóticas recesivas para el carácter en cuestión. Cuando se desea transferir un carácter cuantitativo, cada generación de retrocruzamiento se debe cultivar hasta la obtención de líneas F3 y luego se sigue con el siguiente retrocruzamiento. Si aparte la heredabilidad del carácter es baja y varios genes están envueltos en la expresión del carácter, las poblaciones F2 y F3 procedentes de los retrocruzamientos deben ser suficientemente grandes. El ligamiento puede también complicar el método de selección por retrocruzamiento. La complicación surge cuando el gen que se desea transferir está ligado a otro indeseable o a un bloque de genes no beneficiosos, ya que la selección para el de interés aumenta también la selección del no deseable. Cuando el efecto del gen indeseable es conspicuo, una serie de autofecundaciones después de un cruzamiento es más efectivo para romper el ligamiento, pues la oportunidad de romper el ligamiento existe tanto en el parental masculino como en el femenino (por meiosis), mientras que en el retrocruzamiento no puede ocurrir ruptura de ligamiento en el parental recurrente. El retrocruzamiento no es un método limitado sólo para mejora de la resistencia. Se ha utilizado también para obtener tomates que maduren más pronto y para la acumulación de caracteres deseados Los retrocruzamientos pueden hacerse en cualquier ambiente donde la planta se espere que crezca y donde el carácter que se ha transferido deba expresarse. La evaluación agronómica no es necesaria. Por tanto, se puede utilizar el invernadero para adelantar generaciones y para evaluar en carácter que se transfiere. Una característica importante del retrocruzamiento es que las variedades obtenidas así, pueden darse a los agricultores, sin evaluación de 181
rendimiento, adaptación a calidad, pues es la misma variedad de la tierra con algún carácter deseable incorporado. El método de retrocruzamiento presenta 3 requisitos: • • •
Se debe disponer de una variedad recurrente buena, la que deba mejorarse en uno o más caracteres. Se debe disponer de variedades donantes que complementen a la variedad recurrente, para el carácter de interés. El número de retrocruzamientos que se hagan deben ser lo suficiente para reconstituir el parental recurrente.
Las ventajas del mejoramiento por retrocruzamiento pueden resumirse en los siguientes puntos: Nada de lo ganado se pierde, debido a que las mejoras se hacen paso a paso. • El programa de mejora es independiente del ambiente. • No son necesarias evaluaciones de las variedades obtenidas por retrocruzamiento. • Es rápido y requiere un número pequeño de plantas. • Es predecible y repetible. • Es también adecuado para la modificación de caracteres morfológicos o características de color y caracteres cuantitativos dependientes de pocos genes como la precocidad, altura de la planta y tamaño y forma de la semilla . La desventaja del método es que No permite obtener combinaciones génicas poco comunes de las 2 variedades. •
Figura 59.Representación del procedimiento de retrocruzamiento
182
CAPITULO 8. Métodos de mejoramiento de plantas alógamas INTRODUCCIÓN. Las plantas alógamas son aquellas que se aparean libremente dentro de sus poblaciones como consecuencia de su sistema reproductor y de su historia evolutiva previa. Son muy heterocigotas por lo que rara vez se utilizan de manera individual para construir una nueva variedad, ya que la segregación y la polinización cruzada dificultan la conservación del progenitor. Por esta razón los métodos de mejoramiento de estas especies difieren de los empleados en las plantas autógamas. Las plantas alógamas pueden ser: hermafroditas, monoicas y dioicas. Monoecia y dioecia, evidentemente favorecen la fecundación cruzada. En algunas plantas la alogamia se asegura por distintos mecanismos como la maduración de estambres y estigmas en distinta época, o los distintos sistemas de incompatibilidad. Dentro de las plantas alógamas, se pueden encontrar desde las que tienen una completa autoesterilidad, hasta las que tienen una perfecta autofertilidad, con gran variabilidad incluso dentro de la misma especie y aún dentro de la misma variedad comercial o población local. Otro factor importante es que algunas plantas alógamas cuando se les somete a autogamia forzada suelen sufrir depresión por consanguinidad, mientras que otras no. En las poblaciones de especies alógamas, puede identificarse y seleccionarse individuos con caracteres sobresalientes y deseables agronómicamente, sin embargo, estos no son de herencia constante debido a que todos sus gametos son diferentes, lo que crea diferentes individuos en cada generación. Por eso, la mejora genética de una población alógama se basa en dos hechos principales: i)La elección de los individuos que han de originar la generación siguiente selección y ii) La forma por la cual dichos individuos seleccionados se han de cruzar entre sí para formar la descendencia que constituirá la generación siguiente. Los distintos métodos de mejora que en alogamas se pueden realizar son Selección masal , Selección de líneas endogámicas y explotación de la heterosis y por selección de los componentes de las variedades sintéticas. OBJETIVOS 1. Reconocer los principales métodos de mejoramiento de especies alógamas 2. Conocer la Teoría del Equilibrio genético y su aplicación en el mejoramiento genético. 3. Reconocer los factores que afectan el equilibrio génico de poblaciones. 4. Identificar los procesos que alteran el equilibrio de pobalciones 183
36.
Lección 36. Teoría de Hardy-Weinberg
También llamada ley del equilibrio genético, es un conjunto de fórmulas matemáticas que describen cómo la proporción de distintos genes, que determinan una característica particular en un organismo, puede permanecer igual a lo largo del tiempo en una población numerosa de individuos. En 1908, el matemático británico Godfrey Harold Hardy y el médico alemán Wilhelm Weinberg describieron de forma independiente esta ley. Basados en una aplicación de la distribución binomial descubierta por Isaac Newton, explican que una población se comporta de acuerdo con las condiciones que se basa esta formula y no debe haber cambios en las frecuencias gaméticas o cigóticas de generación en generación. La composición genética de una población permanece en equilibrio mientras no actúen ni la selección ni ningún otro factor y no se produzca mutación alguna. A pesar de la mezcla de genes que supone la reproducción sexual, la persistente reorganización de estos en este tipo de reproducción, no cambia la frecuencia de estos en las sucesivas generaciones. Es decir, la herencia mendeliana, por sí misma, no engendra cambio evolutivo, no es un mecanismo de alteración de las frecuencias de los genes en las poblaciones. Esta ley indica la frecuencia con la que determinados alelos, variantes de un gen determinado que contienen información específica respecto a un carácter (por ejemplo el color de los ojos), deberían aparecer en una población. La ley establece también la frecuencia con la que determinados genotipos, combinación real de genes de la que un organismo es portador y puede trasmitir a sus descendientes, deberían aparecer en esta misma población.
36.1. Condiciones para que se presente en equilibrio en una población. Para que la población permanezca en equilibrio de generación en generación, debe cumplir las siguientes condiciones ideales: •
Ser lo suficientemente amplia como para que todos los cambios que se produzcan en ella sigan las leyes de la estadística.
•
No debe existir inmigración ni emigración.
•
Los organismos componentes de esa población han de ser diploides y de reproducción al azar (panmixia).
•
Individuos viables y fértiles, con reproducción sexual. 184
•
En esta población no hay mutaciones, ni selección natural, ni artificial, de modo que los individuos tienen las mismas probabilidades de reproducirse, independientemente de sus genotipos
Se considera que, si en una población lo infinitamente grande y con un apareamiento libre al azar, un gen está representado por los alelos A y a, de igual adaptabilidad, en la proporción qA(1-q)a, las frecuencias de estos dos alelos permanecerán constantes como se explica a continuación: Ejemplo, gen con dos formas alternativas Frecuencias alélicas observadas.
Aya
gametos
Frec. A = p Frec. a = q
Apareamiento aleatorio
Genotipos = AA, 2 Aa, aa Frecuencias genotípicas esperadas según H-W Frec. AA = p2 Frec. Aa = 2pq Frec. aa = q2 Formula H-W = p2 + 2pq + q2 = 1 = (p + q)2 Frec. A = p = 4/8 = 0,5 Frec. a = q = 4/8 = 0,5
Frecuencia alélica
El apareamiento aleatorio es un supuesto razonable, pero en la realidad este no existe en la mayoría de los casos, ya que siempre hay algún tipo de selección de pareja. 185
Ejemplo numérico: Una población de 5000 plantas se encontró la siguiente frecuencia genotípica: Frec. Genot. Frec. Alelica 400 Rojas 8% p = 0,38 3000 Rosadas 60% q = 0,62 1000 Blancas RR Rr rr
Frec. Genotípicas p2 (0,38)2 = 0,1444 2pq 2(0,38)x(0,62) = 0,4712 q2 (0,62)2 = 0,3844
Significa que la población no esta en equilibrio génico, por que hay variación genotípica.
36.2. Consecuencias del Equilibrio Hardy-Weinberg •
Una vez que se alcanzó el equilibrio, las frecuencias alélicas y genotípicas se mantienen constantes a través del tiempo.
•
El equilibrio H-W se alcanza con una o dos generaciones de apareamiento al azar (para un locus autosómico).
•
Si las frecuencias alélicas difieren entre sexos, en la primera generación de apareamiento al azar las mismas se igualan, y en la segunda, las frecuencias genotípicas llegan al equilibrio.
•
La heterocigosis esperada aumenta con el número de alelos y se maximiza cuando, para k alelos, sus frecuencias son 1/k.
•
La importancia y utilidad del modelo de H-W radica en su simplicidad y falta de realismo. Se utiliza como hipótesis nula.
•
Pese a ser un modelo hipotetico, las poblaciones naturales suelen encontrarse cerca del equilibrio H-W.
Está claro que una población de este tipo no existe en la naturaleza, pero sirve de punto de partida para el estudio de otras leyes: los organismos están sujetos a mutación, selección o otros procesos que cambian las frecuencias génicas, pero lo efectos de estos procesos pueden ser medidos a partir de sus desviaciones de la ley de equilibrio. 186
36.3 Procesos que cambian las frecuencias génicas. Los procesos básicos que cambian las frecuencias génicas son la mutación, la migración, la deriva genética y la selección natural •
La mutación.
La mutación es un fenómeno natural, de frecuencia muy baja y de muy lenta aparición, que posibilitan la evolución. A manera de jemplo: Consideremos un alelo A que se convierte en B por mutación a una tasa del 1 por 100.000, que es típica de muchos genes (en cada generación una cienmilésima de todos los alelos A se convierte en B). Si en un momento dado, la frecuencia del alelo A es 0'10, en la generación siguiente será del 0'0999999, un cambio pequeñísimo. Y así sucesivamente. La fracción del alelo que cambia es siempre la misma; pero como la frecuencia del alelo es cada vez menor, el efecto de la mutación se va reduciendo de generación en generación. En nuestro caso, se requieren 10.000 generaciones para que la frecuencia del alelo A se reduzca de 0'1 a 0'09. Por otra parte, las mutaciones son reversibles: el alelo B también puede mutar a A. La frecuencia de los alelos cambiará aún más lentamente. De todo esto se deduce que la mutación, aunque tiene su contribución, no es fuerza suficiente para impulsar todo el proceso evolutivo. Las frecuencias de los genes están determinadas por la interacción entre mutación y selección. •
La migración genética.
La migración, en el sentido genético, implica que los organismos (o sus gametos o semillas) que van de un lugar a otro se entrecruzan con los individuos de la población a la que llegan. Por eso la migración se llama flujo genético. En este caso, lo que cambian son las frecuencias génicas de una localidad dada, si es el caso que las frecuencias de los emigrantes y de los residentes no sean iguales. •
La deriva genética.
Es una fuerza de cambio muy importante en la selección, en la que las frecuencias génicas pueden cambiar por razones puramente aleatorias, debido a que cualquier población consta de un número finito de individuos. La frecuencia de un gen puede por ello cambiar de una generación a otra gracias a lo que se llaman errores de muestreo, ya que de todos los genes de la población sólo una pequeñísima fracción pasará a la siguiente (por lo mismo también es posible que salgan más de 50 caras al lanzar una moneda 100 veces). 187
Si en una población de 1.000 individuos, la frecuencia de a es 0'5 en una generación, en la siguiente generación puede ser, por azar, de 0'505 ó de 0'493, a causa de la producción fortuita de unos pocos más o unos pocos menos descendientes de cada genotipo. En la segunda generación habrá otro error de muestreo, que ahora trabaja sobre la nueva frecuencia génica, así que la frecuencia de a puede llegar de 0'505 hasta 0'511 ó bajar a 0'498. Este proceso de fluctuación aleatoria continúa de generación en generación, sin que ninguna fuerza empuje a la frecuencia a retornar a su valor original. De este modo, el resultado final es que la deriva provoca que las frecuencias génicas sean p=1 ó q=1 (q=0 ó p=1, respectivamente). Tras este final, ya no es posible ningún cambio: la población se ha hecho homocigótica. Una población aislada a partir de la primera también sufre esta deriva genética aleatoria, pero en lugar de hacerse homocigótica para el gen A, puede hacerse para el gen a. A medida que el tiempo transcurre, las poblaciones aisladas divergen entre ellas, perdiéndose heterocigosidad: la variación que aparecía en las poblaciones aparece ahora entre poblaciones. Si no existieran estos procesos de cambio evolutivo, como la mutación y la selección natural, las poblaciones llegarían al final a tener un solo alelo de cada gen, aunque se tardase muchas generaciones en llegar a ello. La razón es que, tarde o temprano, uno u otro alelo sería eliminado por la deriva genética sin posibilidad de que reapareciera por mutación o migración. Debido a la mutación los alelos desaparecidos de una población pueden reaparecer de nuevo y gracias a la selección natural, la deriva genética no tiene consecuencias importantes en la evolución de las especies, excepto en poblaciones de pocos individuos.
•
Efecto Fundador.
Es una situación extrema de deriva genética que se da cuando se establece una nueva población a partir de pocos individuos, cuando una población pequeña se separa de otra original más grande. Es lo que ocurre en numerosas islas oceánicas, con poblaciones numerosísimas establecidas por muy pocos individuos. Las frecuencias de muchos genes pueden ser diferentes en los pocos colonizadores y en la población de la que proceden y ello puede tener efectos duraderos en la evolución de tales poblaciones aisladas. El efecto fundador es, probablemente, responsable de la práctica ausencia de grupo sanguíneo B entre las poblaciones de indios de América, cuyos antecesores llegaron en números muy pequeños a través del Estrecho de Behring hace unos 10.000 años.
188
37. Leccion 37. Selección Masal La selección masal es el método más simple de mejora en plantas alógamas y consiste en elegir los mejores individuos (por sus fenotipos), recoger la semilla que ellos producen, mezclar esta semilla para formar la generación siguiente y repetir el ciclo de selección y mezcla de semilla sucesivamente. La selección masal puede tener varias formas, pero siempre implica la cosecha de un lote en masa de semillas a partir de algunas plantas seleccionadas. Evidentemente, lo que se hace es una selección para gametos femeninos, puesto que al tomar la semilla producida por la planta seleccionada se está seleccionando la aportación génica femenina, mientras que no se puede seleccionar las plantas que van a actuar como polinizadores. A pesar de ello, se espera un progreso en la selección por acumulación de genes favorables. La selección masal por el fenotipo es efectiva cuando los caracteres para los que se selecciona son fácilmente observables o medibles; por ejemplo: altura de planta, contenido en aceite o proteína de la semilla. Cuando los caracteres no pueden ser prejuzgados por el fenotipo individual de las plantas, se realizan ensayos con la descendencia de las madres seleccionadas, lo cual recibe el nombre de (prueba de progenie). La descendencia puede obtenerse mediante polinización abierta normal (sin control de los gametos masculinos) o puede hacerse controlando la reproducción. Esto dependerá de si el carácter que estemos teniendo en cuenta puede observarse o medirse antes de la fecundación. Por ejemplo, la altura de la planta se puede medir antes de la fecundación, pero el contenido en proteína de la semilla no. Si la selección se hace antes de la antesis, las plantas se eliminan y se permiten cruces aleatorios sólo entre las elegidas. Si se hace después de la fecundación, las plantas seleccionadas se habrán cruzado, en parte, con las no deseadas. Cuando la población es muy variable, la presión de selección debe ser suave, para dar oportunidad a que se mezcle bien los caracteres. Después de varios ciclos se debe llevar a cabo un ciclo de selección fuerte para escoger los individuos más sobresalientes y obtener así la máxima respuesta. De lo contrario, si utilizamos siempre una presión de selección fuerte, la variabilidad genética se agota rápidamente, esto conduce a la homocigosis y por tanto a poca respuesta a la selección. La efectividad de la selección masal depende entre otros factores de los caracteres en estudio y del tipo de herencia que estos tengan. Es más efectiva para aquellas características de alta heredabilidad como: la altura de la planta, resistencia a enfermedades, precocidad, prolificidad, alto contenido 189
de proteína, adaptabilidad, etc. por otro lado, dicha selección es poco efectiva para las característicos de baja heredabilidad, como: rendimiento, acame, resistencia a insectos, etc. Se puede afirmar que el éxito de la selección masal se debe a los siguientes factores: • Técnicas adecuadas de campo. • Alta heredabilidad. • Amplia variabilidad genetica.
37.1 Requisitos para una selección masal adecuada. Para adelantar un programa de selección masal en plantas alógamas se deben de considerar los siguientes factores: •
Aislamiento del lote donde se hará la selección; este se puede llevar a cabo mediante las siguientes practicas: Distancia: estableciendo una distancia mínima entre los lotes de selección y otros de producción comercial, teniendo en cuenta que el polen de las plantas alógamas se transportan por el viento a grandes distancias. Fecha de siembra: adelantando o retrazando la siembra de los lotes para selección con aquellos lotes comerciales sembrados alrededor es otra forma eficaz de aislar los lotes. Barreras artificiales: se utilizan cuando no se puede aislar el lote mediante algunas de las formas anteriores
•
Factores ambientales: entre los mas importantes se encuentra la Uniformidad del terreno: en lo que respeta a fertilidad, profundidad, textura, pendiente, como de la buena preparación del terreno.
•
Practicas culturales uniformes: esto quiere decir la siembra se realice a la misma profundidad y a la misma distancia, la fertilización también debe ser uniforme, en lo posible se recomienda sobre fertilizar el lote para eliminar posibles diferencias en la fertilidad del suelo. Se debe planificar el riego, de tal manera que se suministre el agua en el momento en que lo necesite el cultivo. El control de malezas, plagas y enfermedades, debe ser muy eficiente y uniforme de tal manera que las diferencias presentadas en los resultados se atribuya principalmente a la constitución genética de las plantas y no a efectos de estos factores.
•
Presión e intensidad de selección: Se debe aplicar una adecuada presión de selección que no cause endocría, esto se logra con una presión que puede variar de 10 a 20%. En teoría, mientras la presión sea 190
más intensa se obtienen mayores ganancias, pero también se provoca más rápido la homocigosis. Los inconvenientes que presenta la selección masal son: •
Para determinados caracteres la selección fenotípica no es la más adecuada para seleccionar genotipos superiores.
•
La polinización incontrolada hace posible que los genotipos superiores hibriden con los inferiores en la población en la que cohabiten.
Se han obtenido buenos resultados prácticos en remolacha, alfalfa, maíz, trébol, etc., que justifican la aplicación de la selección masal en determinadas circunstancias y caracteres. Las especies alógamas y autógamas, responden similarmente a la selección masal. Ambas tienden a responder en la dirección de la presión de selección y ambas retendrán considerablemente la variabilidad. A continuación se describen las distintas variaciones de la selección masal.
37.2 Selección masal estratificada. Este método de selección masal fue propuesto por Gardner en 1961, para ser aplicado a materiales de amplia variabilidad genética, posteriormente otros fitomejoradores han modificado y ampliado esta metodología. Consiste en una estratificación o división de las parcelas de evaluación / Se recombinación en áreas de igual tamaño y preferiblemente cuadradas. Se sugieren 25 subparcelas, las cuales resultan de dividir el lote en cinco franjas de 10 m. de largo y subdividir cada franja en 10 surcos (ver figura #). Dentro de cada subparcela se eligen las mejores plantas, como en la selección masal ordinaria. Figura 60.Representación de Selección Masal Estratificada.
191
El objetivo principal de esta modificación es, precisamente, reducir dentro de cada subparcela el efecto ambiental que se tiene en toda la parcela; lo anterior permite una mayor eficiencia en la selección, al trabajar más sobre la variación genética.
37.3 Selección masal convergente-divergente. Para la aplicación de este método, se requiere definir una región amplia o área grande en cuanto a diferencias ambientales (suelo, temperatura, humedad, etc.), así como integrar una población base de amplia variabilidad genética, para ello se puede hacer lo siguiente: i) Recolectar variedades criollas de las localidades representativas de diferentes ambientes del área o región agroecológica definida. ii) Formar una mezcla de igual número de semillas de cada una de los materiales recolectados. Estas semillas se siembra en un lote aislado de la localidad de evaluación y las semillas obtenidas de esta recombinación se convierte en la población base de amplia variabilidad genética. Una vez formada la población base, se subdivide en muestras de acuerdo con las localidades previamente definidas, en donde se sembrarán los materiales para la selección (divergencia). Los lotes de siembra en cada localidad deben estar aislados, con la suficiente área que permita tener un buen número de individuos. En la cosecha de cada localidad se aplicará una presión de selección del 5% aunque está varía de acuerdo a los objetivos del fitomejorador, seleccionando las plantas que posean las mejores características agronómicas deseables. De esta manera se obtiene el primer ciclo de selección masal en todas las localidades. El segundo y tercer ciclo se lleva a cabo de la misma manera. Después del tercer ciclo de selección en cada localidad, se toma una muestra de semilla de cada una de ellas, se forma una mezcla de todas y se siembra en un lote aislado en el campo experimental inicial (convergencia) con el fin de recombinar por una generación. En la cosecha, la semilla obtenida se divide nuevamente de igual manera y con el mismo número de muestras, se llevan nuevamente a las localidades iniciales para evaluar el segundo ciclo de selección convergente-divergente. (figura 61). Durante la realización de cada ciclo de selección por localidad, deben evaluarse paralelamente los ciclos anteriores, incluyendo la variedad original y los testigos regionales. El objetivo de estas evaluaciones es ver la ganancia que se está obteniendo por ciclo de selección en cada localidad. 192
Al hacer la divergencia y la selección en cada una de las localidades se aíslan los genotipos deseables de cada uno de ellas y al hacer convergencia se reúnen por medio de la recombinación todos los genes deseables. Así se puede esperar que el material obtenido sea adaptable a toda el área o región a la que pertenecen las localidades en donde se realizó la selección. Figura 61. Esquema de metodología de la selección masal Convergente-divergente.
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38. Lección 38. Selección Recurrente intrapoblacional. Se conoce como selección recurrente los métodos de fitomejoramiento en los que se llevan a cabo ciclos alternantes de selección y cruzamiento. Selección para elevar la frecuencia de genes favorables en la población de plantas a mejorar y cruzamiento de las mejores plantas entre sí, para mantener la variabilidad genética que permita obtener las mejores combinaciones génicas, en el caso de selección recurrente intrapoblacional se busca mejorar el comportamiento dentro de una población dada Todas las modalidades de selección recurrente tienen el mismo fundamento genético, que es el siguiente: En una población alógama, todas las plantas que muestran determinada intensidad de expresión de un carácter favorable, regulado por genes mayores o por poligenes, no tienen necesariamente el mismo genotipo. Por ejemplo, si un carácter favorable depende, en su máxima expresión, de los genes dominantes A, D, E, F, G, y H, y de los recesivos b, c y g, pueden existir en una población genotipos con la misma intensidad del carácter, tales como: A_ B_ ccddE_ ffgghh aaB_C_D_ eeF_G_H_ aabbccddeeF_gghh y otros. Si somos capaces de seleccionar en esta población, plantas que muestren una expresión fenotípica del carácter favorable superior a un nivel dado y luego las cruzamos entre sí de manera forzada o en polinización libre, podemos conseguir una nueva población en la que la frecuencia de genes favorables sea superior a la población inicial y en la que la recombinación haya producido genotipos superiores. Si efectuamos en esta población un nuevo ciclo de selección y recombinación, podremos conseguir un mayor grado de acumulación de genes favorables. Para Ceballos (2000). El éxito de la SR depende de numerosos factores. Uno de ellos, quizás el más obvio, es que exista suficiente variabilidad genética para permitir progreso en la dirección deseada. En otras palabras, las frecuencias alélicas al comenzar el programa de mejoramiento, tendrán una gran influencia en los resultados del mismo, sean éstos a corto, mediano, o largo plazo. Es precisamente reconociendo este requerimiento, que los fitomejoradores prestan gran cuidado y atención a los materiales con los que se iniciará un determinado programa ya sea utilizando SR u otro método de mejoramiento como el de retrocruzamiento. Si se cuenta con numerosas poblaciones y la variabilidad genética es similar en todas ellas, entonces se puede elegir la que presente el mejor promedio para el o los caracteres a 194
mejorar. Por el contrario, si entre las poblaciones iniciales existen diferencias en cuanto a variabilidad genética, ésta debe tenerse en cuenta junto con los respectivos promedios. Una ilustración simplificada de los objetivos de la SR se presenta en la Figura 62. En este ejemplo idealizado, se asume una población de tamaño finito y que la variabilidad genética en los distintos ciclos de selección ha permanecido inalterada, aunque el promedio poblacional se desplazó en la dirección deseada. Se trata de una selección para una sola variable. Resultados como los presentados en la Figura 62 rara vez pueden apreciarse luego de un sólo ciclo de selección para la mayoría de los caracteres a mejorar. Se pretende simplemente ilustrar el potencial de este método de mejoramiento, luego de varios ciclos de selección. Figura 62. Distribución de frecuencias y medias poblacionales luego de dos ciclos de selección recurrente.
Frecuencia
Ciclo 0 Población original Xo
XS 0 ∆s
Frecuencia
Frecuencia
Ciclo 1
X1
XS1
∆ G1
∆ G1 = X1 - X0
Ciclo 2 X2
∆ G2 = X2 - X0
∆ G2
La variabilidad genética permanece inalterada, pero la media poblacional se desplaza en la dirección deseada, resultando en un progreso genético (∆G).
Fuente: Ceballos, 2000. Los objetivos resumidos de la SR son: • Modificar las medias poblacionales mediante el incremento de la frecuencia de alelos deseables para el (los) carácter(es) a mejorar. • Mantener la variabilidad genética de modo que sea posible un progreso continuo en cada ciclo sucesivo de selección. Cuál de los numerosos métodos de SR un fitomejorador empleará, dependerá de numerosos factores tales como: modo de reproducción del 195
cultivo, la herencia y tipo de carácter a mejorar, producto requerido (híbrido, variedad de polinización abierta, línea pura, variedad sintética, etc.). Con excepción de la selección masal fenotípica, todos los métodos de SR incluyen tres etapas claramente identificables así: i) Obtención de progenies. ii) Evaluación de progenies en el (o los) ambiente(s) adecuado(s). iii) Selección y recombinación de las mejores progenies para iniciar un nuevo ciclo de selección. Ceballos (2000) Gráficamente se pueden representar estos conceptos tal como se ilustra en la Figura 63. Nótese claramente la naturaleza cíclica de la selección recurrente, y cómo cada ciclo debe producir germoplasma superior que es luego usado por el fitomejorador para los propósitos de su programa de mejoramiento. Es importante destacar que cada etapa de la SR está definida por elementos llamados Unidad de Selección (en la etapa de evaluación), Unidad de Recombinación (durante los cruzamientos de progenies seleccionadas) y Nuevo Ciclo de Selección o Población Mejorada (con la obtención de nuevas progenies a partir de la etapa anterior). Es necesario entender la diferencia entre la unidad de selección y la de recombinación para poder calcular con precisión las ganancias genéticas que se esperan lograr como resultado de la selección Figura 63. Esquema básico de mejoramiento por selección recurrente con sus tres etapas y Los elementos que la caracterizan.
Cada ciclo de selección produce germoplasma superior que es usado por el fitomejorador para la producción de cultivares comerciales
196
38.1. Selección recurrente usando promedios de familias. A diferencia de la selección masal, los siguientes métodos de mejoramiento que se describirán incluye alguna forma de evaluación de progenies, en los que los genotipos se evalúan y seleccionan en términos de comportamientos promedio. Esta distinción es muy importante, pues se busca basar la selección en valores genotípicos no fenotípicos y si se seleccionan genotipos a partir de medias de ensayos replicados, frecuentemente a través de numerosos ambientes, las varianzas fenotípicas de medias serán mucho menores que las correspondientes a plantas individuales, como es el caso en la selección masal. También la interacción genotipo x ambiente tendrá un efecto menor.
38.2. Selección de medios hermanos: mazorca por surco modificada (Lonnquist 1964). Este método consiste en la selección entre y dentro de familias de medios hermanos (MH) y fue propuesto para el caso específico de maíz, aunque es adaptable a otros cultivos. El término de medios hermanos se refiere al número de progenitores que los individuos tienen en común, en este caso sólo uno en común, sea el padre o la madre. Luego de obtener las familias MH se siembran en ensayos con una replicación en varios ambientes como se ilustra del la figura 64. Simultáneamente con la evaluación, se siembran en un bloque aislado las mismas familias, cada una en surcos individuales (como en los lotes de evaluación), los que actuarán como hembra ya que son despanojados (o emasculados), antes que ocurra la floración. Además se intercalan, cada cierto número de surcos, uno que actuará como fuente de polen. Este surco denominado 'macho', consiste en un 'masal balanceado' con semilla de todas las familias que definen la población. La unidad principal de evaluación-selección será cada una de las familias de MH. Una vez identificadas las mejores familias (selección ‘entre’), se cosechan en el lote de recombinación, las mazorcas de las mejores plantas de esas familias (selección ‘dentro’). Por otro lado, si una planta macho poliniza a cuatro o seis plantas hembra diferentes y la semilla de cada una de ellas se siembra en surcos individuales, las plantas dentro de cada surco son hermanos completos HC, porque tienen el mismo padre y la misma madre. Así, las plantas de surco uno son MH de las plantas del surco dos; estos a su vez son MH de las del surco tres y así sucesivamente ya que tienen un padre en común (macho) pero diferente madre. 197
También, si la semilla de las plantas hembras polinizadas por un macho común se mezcla en cantidades iguales, se da origen a una familia de MH. Las familias de MH están más relacionadas entre sí que aquellas de HC, debido a que las de MH se originan al cruzar una hembra con varios machos o viceversa, es decir tienen un padre en común, mientras las familias de HC se originan al cruzar pares de plantas, todos diferentes. Figura 64 . Selección de mazorca por surco modificada (Lonnquist, 1964).
Las familias MH se evalúan en 3 ambientes y simultáneamente se siembran en un lote de recombinación en el que son emasculadas (surcos hembra). El polen proviene de surcos macho formado por un volumen balanceado de la población. Fuente. Ceballos (2000)
38.3. Selección de hermanos completos Este esquema de mejoramiento es uno de los de mayor eficacia para el mejoramiento de una población y ha sido usado intensamente por el Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo (CIMMYT). Existen numerosas variantes y se utilizan grupos grandes de familias, (nunca menos de 100). Se realizaba una selección moderada dentro de surco y al momento de la floración se efectuaban cruzamientos planta a planta entre las distintas familias para reconstituir un nuevo grupo de familias de hermanos completos. 198
Debido al gran número de familias evaluadas, se utilizaban diseños experimentales tipo látice, que requiere un número cuadrático de tratamientos (13 x 13 = 169, hasta 16 x 16 = 256). Se evalúan las familias en ensayos de rendimiento y características agronómicas deseadas con dos o tres repeticiones en tres o cuatro localidades durante el mismo año. En la cosecha se selecciona el 10% de las mejores familias de HC. Una vez determinadas las mejores se recurre a la semilla remanente, tomando un 30% más de semilla de cada una de ellas y se forma un compuesto balanceado de todas las semillas de las familias seleccionadas con la que se inicia un segundo ciclo de selección en la siguiente generación. Para ello, en el momento de la floración se forman cruzas de la misma manera que en la primera generación para formar familias de HC e iniciar así el segundo ciclo de selección. Figura 65. Esquematización de la obtención de familias de hermanos completos por medio de cruzas entre pares de plantas
38.4. Selección recurrente de líneas S1 El mejoramiento a través de líneas S1, se ha utilizado para mejorar varias características, requiere típicamente de tres estaciones de crecimiento: obtención de líneas S1, evaluación en ensayos replicados de esas familias y recombinación de las mejores líneas para reiniciar otro ciclo de selección. En este esquema de mejoramiento se puede realizar selección en dos etapas: al recombinar las mejores líneas se pueden formar, por ejemplo, familias de hermanos completos. Estas familias se pueden sembrar en condiciones adecuadas para hacer una selección de modo que sólo se autofecundan las mejores plantas de las mejores familias HC. Alternativamente las familias HC se pueden sembrar en ensayos a través de varias localidades y luego de evaluarlas, en el semestre siguiente se siembra semilla remanente de las mejores familias para ser autofecundadas. Esto alarga cada ciclo de selección a dos años, pero reduce considerablemente en número de autofecundaciones a realizar. 199
De una población de amplia variabilidad genética, para el caso de maíz, se autofecundan más o menos 400 plantas agronómicamente deseables para obtener líneas S1. En la cosecha se toman sólo 200 mazorcas autofecundadas (líneas S1) de las plantas más deseables y con suficiente semilla, las cuales se desgranan individualmente; parte de esta semilla se guarda y el resto se utiliza en los ensayos en la segunda generación. En la segunda generación, las 200 líneas se evalúan en ensayos de rendimiento y características agronómicas deseables en tres o cuatro localidades, con una o dos repeticiones durante el mismo año. En la cosecha se selecciona el 10% de las mejores líneas S1. Una vez seleccionadas las mejores 20 mazorcas, se recurre a sus semillas guardadas para recombinarlas en la siguiente generación; esta recombinación se realiza a través de cruzas posibles (dialelicos) y una vez obtenidas las 190 cruzas se forma un compuesto balanceado para integrar una población C1 donde se practicará el siguiente ciclo de selección. Se siembra el compuesto balanceado para iniciar el segundo ciclo de selección semejante al descrito anteriormente y así sucesivamente hasta formar una nueva variedad mejorada. Este método tiene la ventaja que facilita la eliminación de individuos recesivos indeseables.
38.5. Selección recurrente de líneas S2 El mejoramiento a través de líneas S2 es similar a la selección entre líneas S1, con el alargamiento de un ciclo mas de selección para poder llegar hasta el nivel de endocría S2 antes de la selección. Como en el caso anterior, en este método se aprovecha los efectos genéticos aditivos, ya que ambos son igual de eficaces para cambiar las frecuencias de genes que poseen efectos adictivos, superando a los métodos de selección que implican cruzas de prueba. La selección entre líneas S2 se usa generalmente para mejorar el rendimiento, mientras que la selección entre líneas S1 se utiliza para mejorar otras características como resistencia a enfermedades, plagas, además de rendimiento. La recombinación se puede realizar con semilla remanente de la generación S1 o de la S2 aunque el efecto de endogamia es mayor en la S2. La desventaja de este método es que la apariencia fenotípica y producción de las líneas S1 son superiores a las de las líneas S2; por lo tanto al seleccionar en el nivel S1 puede falsearse la información a nivel S2 por lo que quizá las mejores plantas S1 pueden ser las más malas a nivel S2 .
200
39. Lección 39. Selección recurrente interpoblacional. Este tipo de selección fue propuesta por primera vez por Comstock et al. en 1949. A partir de este trabajo surgieron numerosas modificaciones. Todos estos métodos se conocen con el nombre genérico de selección recurrente recíproca. Es un procedimiento para seleccionar simultáneamente para Actitud combinatoria general ACG y actitud combinatoria especifica ACE. Para ello se toman dos poblaciones llamadas A y B, que no deben estar emparentadas genéticamente, que se mejoran simultáneamente y se conocen como poblaciones recíprocas. El objetivo básico es poder usar las dos poblaciones en la derivación de líneas y producir híbridos comerciales superiores o bien para formar cruzas poblacionales. Como resultado se mejora tanto el comportamiento de las poblaciones como la heterosis de la cruza entre ellas (basada en efectos de dominancia). La selección interpoblacional también tiene ventaja sobre la intrapoblacional cuando existe alelos múltiples, produciendo mejores híbridos que las derivadas de las poblaciones originales. La desventaja de esta metodología es quizá que sea un poco más complicada que los sistemas de mejora intrapoblacional, sin embargo si se realiza selección intrapoblacional en las dos poblaciones, la selección recurrente reciproca SRR no es más complicada que la selección entre líneas de MH en dos poblaciones. A continuación, se presentan los métodos de mejoramiento interpoblacional, con los que se mejoran simultáneamente dos o más poblaciones.
39.1. Selección recurrente recíproca de familias de medios hermanos Este método parte de dos poblaciones recíprocas A0 y B0, de amplia base genética. Se elige en A0 m plantas que serán usadas como macho para polinizar un número determinado (h) de plantas en B0 las que actuarán como hembras (Figura #). Estas m plantas también se autofecundan para producir familias S1. De esta forma se producen m familias de MH, cada una de ellas constituida por h familias de HC. En total se producirán (m x h) familias HC. Lo mismo se hace con la población B0, eligiendo m plantas que serán usadas como macho para cruzarlas con h plantas de la población A0. En este esquema de mejoramiento, la unidad de selección son las m familias MH (cada una representada por h familias de HC) y la unidades de recombinación son las familias S1 originadas en las plantas que produjeron las mejores familias de MH. 201
Una manera normal del procedimiento es seleccionar 100 plantas agronómicamente superiores de la población A. Cada planta se autofecunda y a la vez se cruza con cuatro a seis plantas tomadas al azar de la población B; de la misma manera se autofecundan plantas de la población B y se cruzan con cuatro o seis plantas tomadas al azar de la población A. En la cosecha de la semilla proveniente de las autofecundaciones (líneas S1) de cada planta seleccionada de cada una de las poblaciones, se almacena y la semilla de cada una de las seis plantas cruzadas se mezcla en cantidades iguales (familia de MH) para usarse en pruebas de rendimiento en la segunda generación. Figura 66. Esquema representativo del mejoramiento interpoblacional por selección recurrente recíproca con evaluación de familias de medios hermanos y recombinación de familias S1 en las poblaciones A y B.
Fuente Ceballos (2000)
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En la segunda generación se evalúan las 200 familias de MH formados en A y B (plantas A x B) y (plantas B x A) con dos o tres repeticiones, en tres o cuatro localidades durante el mismo año; en la cosecha se selecciónale 10% de las mejores familias de MH y se recurre a las semillas autofecundadas de los progenitores masculinos (línea S1) de las familias de MH seleccionados, para recombinarlos en la siguiente generación. Para la tercera generación se realizan cruzas (dialélico) en forma separada entre las 10 líneas S1 seleccionadas de la población A y las 10 líneas S1 de B para recombinarlas, al momento de la cosecha se forma un conglomerado base de las 45 cruzas directas obtenidas en cada población para integrar las poblaciones C1 de A y B respectivamente e iniciar el siguiente ciclo de selección. Este procedimiento se lleva a cabo en tres generaciones por ciclo. Ya en la cuarta generación, se siembran por separado los compuestos balanceados provenientes de los dialélicos de las poblaciones A y B, para iniciar el segundo ciclo de selección.
39.2. Selección recurrente recíproca de familias de hermanos completos Esta metodología es similar a la selección recurrente reciproca de medios hermanos. Se emplea para mejorar dos poblaciones y a la vez derivar nuevas líneas de estas poblaciones bajo selección. Se cruzan pares de plantas entre las dos poblaciones A y B de amplia base genética y no relacionados genéticamente y con potencial prolífico en cuanto al número de inflorescencia. A la vez se autofecundan los progenitores masculinos de cada cruza (directa o reciproca), así en esta generación se forman simultáneamente los HC y las líneas S1 en las dos poblaciones (ver figura #9). Esta metodología es particularmente útil cuando las poblaciones pueden producir dos o más inflorescencias. Las semillas proveniente de las autofecundaciones (líneas S1) de cada progenitor masculino de las cruzas, se almacena. La semilla de cada cruza (S0 x S0) directa y reciproca se mezcla (HC) para usarlas en pruebas de rendimiento en la siguiente generación. En la segunda generación se evalúa los HC (S0 x S0) en varias repeticiones y en varias localidades durante el mismo año y en la cosecha se selecciona el 10% de las mejores familias de HC. Obtenidas estas semillas seleccionadas, se recurre a las semillas de las líneas S1 en A y en B progenitores masculinos de las familias de HC seleccionadas para recombinarlas en la siguiente generación.
203
Ya en la tercera generación se realiza la recombinación mediante dialélicos, en forma separada las líneas seleccionadas de cada población A y B. A la cosecha se forma un compuesto balanceado de las cruzas obtenidas en cada dialélico para obtener poblaciones C1 de A y B, respectivamente para el siguiente ciclo de selección. Figura 67. Esquema de selección recurrente recíproca con evaluación de familias de hermanos completos
39.3. Modificación de la selección recurrente recíproca de medios hermanos usando bloques aislados Este es el método de selección recurrente reciproca modificado por Paterniani (1967), en el que las familias de medios hermanos se producen despanojando el progenitor de la misma, quien actúa como hembra. Se puede comenzar con cualquier tipo de familia (en el método original se propone 'mazorcas de polinización abierta', es decir, familias de medios hermanos) haciendo siembras de mazorca por surco en dos bloques aislados de recombinación. En el primero se siembran familias de la población A en surcos hembra y un consolidado de la población B en los surcos macho. En el otro lote se hace lo inverso, surcos hembra con la población B y surcos macho con la A. De esta manera se producen los dos grupos de familias de MH que son evaluados en ensayos de rendimiento. Una vez identificadas las mejores familias de MH se obtiene semilla remanente de los progenitores que le dieron origen, la que es sembrada para la etapa de recombinación. En este caso, por lo tanto, se tendrían familias MH tanto en la etapa de evaluación como en la de recombinación, pero debe quedar claro que no se trata de las mismas familias de MH (unidad de evaluación ≠ unidad de recombinación).
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39.4. Modificación de la selección recurrente recíproca de medios hermanos usando plantas prolíficas. Esta segunda modificación propuesta por Paterniani al método original, también usa plantas prolíficas. La población A se siembra en un lote aislado de recombinación (lote-I), actuando como hembra y es polinizada por la población B, sembrada en surcos macho. En otro lote de recombinación (loteII) se hace lo mismo pero con la población B como hembra y la población A como macho. Al momento de la floración se colecta un masal de polen de la población A (que se puede obtener de los surcos macho del Lote-II), y se poliniza la segunda mazorca de las plantas de la población A usadas como hembra en el Lote I. También se colecta una muestra de polen de la población B (en los surcos macho del Lote-I), para polinizar la segunda mazorca de las plantas de los surcos hembra en el Lote-II. De modo que en el Lote-I se obtienen familias de MH (AxB) de la cruza entre las poblaciones A y B (mazorcas polinizadas libremente), y familias de MH (AxA) dentro de la población A (segundas mazorcas que fueron polinizadas manualmente). Lo inverso ocurre en el Lote-II. Las familias de MH de las cruzas (AxB) y (BxA) son evaluadas en ensayos de rendimiento (unidad de evaluación). Posteriormente, la semilla (AxA) y (BxB) de los progenitores de las mejores familias de MH de acuerdo a las evaluaciones es usada para la recombinación. Ceballos (2000). Este método es relativamente simple de implementar y cada ciclo se completa en dos años.
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40. Lección 40. Selección por hibridación. Un híbrido es el descendiente de dos padres que difieren en uno o más rasgos heredables. Sus padres pueden pertenecer a clones, variedades de polinización abierta, líneas puras o de especies distintas, por lo tanto la hibridación es la acción de fecundar dos individuos de distinta constitución genética, es decir, cruzar dos variedades o especies diferentes para conseguir reproducir en la descendencia, alguno de los caracteres parentales. Cuando el cruzamiento es factible, los híbridos suelen mostrar mayor vigor que los parentales, es decir que la hibridación se utiliza para aprovechar la heterosis mejor que cualquiera de los métodos de mejora utilizados hasta ahora, lo que da lugar a un mayor rendimiento. Este fenómeno ha sido aprovechado en la producción a gran escala de determinados cultivos de cereales de gran importancia económica, tales como el maíz, aunque también es apreciable la contribución que las semillas híbridas han supuesto en numerosas variedades de hortalizas y plantas ornamentales. De la combinación de los caracteres genéticos parentales se derivan también otros rasgos indeseados, es por ello que tras la hibridación suele ser necesario realizar un proceso de selección artificial durante varias generaciones, eliminando así aquellas plantas que sostengan rasgos desfavorables, para que predominen sólo los deseados. Cuando se logra obtener híbridos cuyos caracteres deseados ya están suficientemente desarrollados, se suelen reproducir por métodos asexuales, de esta forma se consigue sostener los rasgos idénticos entre individuos. Con métodos sexuales se interferirían los rasgos y probablemente se perderían a las pocas generaciones. La hibridación aumenta la variabilidad genética de determinados caracteres que son deseados y que el fitomejorador ha juntado a través de la selección y cruza de los mejores progenitores que presentan las recombinaciones deseadas y en las cuales continuara con la selección hasta lograr lo deseado. Para lograr la hibridación es muy importante identificar los progenitores masculinos y femeninos o si son hermafroditas la morfología de la flor, para poder orientar los cruzamientos, bien sea evitando la llegada de polen extraño a cada planta mediante aislamiento espacial o protegiendo los órganos florales con bolsas de papel o tela espesa o densa; para lo cual se debe: • Hacer un cuidadoso estudio de la estructura floral. 206
• Determinar cuáles son las flores que producen semillas de mayor tamaño. • Determinar el momento normal y las características de la dehiscencia de las anteras, así como el espacio de tiempo que el estigma permanece receptivo y el polen funcional. • Tener cuidado en los procesos de emasculación y polinización para no dañar los órganos florales, utilizando los instrumentos necesarios. • No eliminar los verticilos florales, pétalos, glumas, etc. a menos que sea indispensable.
40.1. Híbridos entre líneas consanguíneas La utilización de la heterosis a escala comercial se hace patente en las variedades híbridas o sencillamente híbridos. Variedades híbridas son aquellas en las que las poblaciones F1, se usan para producir semilla comercial. El trabajo pionero sobre híbridos comerciales se hizo en maíz y su repercusión en la agricultura y economía mundiales fue muy grande. Se pueden distinguir distintos tipos de híbridos: simples, dobles y triples.
40.1.1Híbridos simples Un híbrido simple es el que se obtiene cruzando dos líneas puras, para tener éxito con los híbridos es necesario: Elegir cuidadosamente las líneas consanguíneas, de manera que tengan buena aptitud combinatoria entre ellas, es decir, que la combinación híbrida presente superioridad. Figura 68. Esquema del diseño para la siembra de un hibrido simple
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40.1.2 Híbridos dobles Un híbrido doble se obtiene del cruzamiento entre 2 híbridos simples. Por tanto en su composición intervienen cuatro líneas puras diferentes. La semilla del híbrido doble es más barata que la del híbrido simple, ya que se obtiene sobre las plantas de híbridos simples con alto rendimiento y muy vigorosas. Presentan mayor plasticidad ó adaptación a variaciones ambientales anuales. Su variabilidad al ser un cruzamiento entre dos F1, puede ser un inconveniente. Si se hace una selección adecuada de las líneas parentales es posible obtener híbridos dobles que sean casi iguales a los simples en rendimiento. Los híbridos dobles son más variables que los simples pero presentan una mayor adaptación. Figura 69. Esquema del diseño de siembra de un híbrido doble.
40.1.3 Híbridos triples Un híbrido tres vías, es el resultado del cruzamiento de un híbrido simple, como parental femenino y una línea consanguínea como macho. Tiene la ventaja del menor costo de la semilla. Sus características son intermedias entre híbridos simples y dobles. Como el híbrido doble, tiene mayor plasticidad que el híbrido simple y menor variabilidad que el doble. Se siembran menos.
208
40.2. Utilización de la androesterilidad para la producción de semilla híbrida Se utiliza el término general de androesterilidad, para referirse a todo fenómeno en el cual el gameto masculino no es funcional. Las causas genéticas que determinan la androesterilidad pueden estar controladas por genes nucleares (androesterilidad génica), por genes citoplásmicos (androesterilidad citoplásmica) o por la interacción de ambos (androesterilidad génico-citoplásmica o núcleo-citoplásmica). La androesterilidad se utiliza en mejora de plantas para la producción de cruzamientos controlados sin la necesidad de emascular (castrar o extirpar las anteras) del genitor que actúa como hembra. 40.2.1.
Androesterilidad genética.
Generalmente la regulación genética de la androesterilidad génica suele ser muy sencilla. En muchos casos es monogénica recesiva. Se suele representar por ms ("male sterile") y un subíndice cuando hay varios loci. Pero también puede estar controlada por genes dominantes o por la interacción de dominantes y recesivos. Supongamos que la androesterilidad está determinada por un gen ms recesivo. Los genotipos y fenotipos posibles serán: MsMs fértil Msms fértil msms androestéril El proceso a seguir para obtener semilla híbrida sería: Primera generación, cruzar un línea androestéril msms con una línea fértil MsMs, de este cruce, se obtiene una descendencia heterocigoto fértil Msms, la cual se autofecunda. Para la siguiente generación parte de la semilla obtenida se reserva y la otra parte se siembra, obteniéndose la siguiente proporción fenotípica 1/4MsMs, homocigota fértil,½ Msms, heterocigoto fértil y 1/4 msms homocigota estéril. Toda esta semilla obtenida se siembra en líneas alternas de MsMs con la que se había reservado del tipo Msms, como se indica en la figura #: y de aquí se obtiene plantas Msms y msms. Antes de la antesis se eliminan de los surcos Msms o genotipos fértiles, quedando sólo los individuos msms. Estos al ser polinizados con B (Msms) producirán ½ Msms, y ½ msms. Esta mezcla genotípica de semilla puede ser ya multiplicada indefinidamente, bastando para ello recoger exclusivamente la semilla producida sobre las plantas msms, que habrán sido marcadas convenientemente. (ver documento anexo Selección Recurrente utilizando Androesterilidad Genética CIAT, CIRAD). 209
MsMs x msms Msms x msms
Msms 100% fértil ½ Msms + ½ msms
La forma heterocigótica Msms se guarda. 40.2.2 Androesterilidad citoplasmática. La androesterilidad citoplásmica ha sido observada en más de 150 especies vegetales. Este fenómeno y su restauración a través de genes nucleares son dos componentes esenciales en la producción comercial de la mayoría de los cultivos híbridos. La característica esencial de la androesterilidad determinada por factores citoplásmicos es que se transmite de forma continua de generación en generación, siempre que se disponga de un individuo que actúe como polinizador. Como el citoplasma de la descendencia es casi exclusivamente materno (cabría considerar la posibilidad de que el gameto masculino aportara algo de citoplasma en el momento de la fecundación), la descendencia de las planta androestéril será siempre androestéril. La androesterilidad citoplasmática fue descubierta en el caso del maíz por Rhoades en 1931. Este tipo de esterilidad evita que las espigas produzcan polen funcional. Se transmite a través del citoplasma de las células germinales y no a través de los cromosomas, como en la mayoría de los caracteres. La androesterilidad citoplasmática no sucede normalmente en las líneas normales, por lo tanto el citoplasma estéril debe introducirse cruzando regresivamente la progenie comercial de tres a cuatro veces y solo se seleccionan las plantas estériles con las características de la variedad comercial escogida en cada generación. Figura 70 .Representación esquemática del proceso de produccion de una línea mejorada (L203) con androesterilidad
210
Las sublíneas deben probarse en cruzas simples, para eliminarles los genes restauradores del polen. La variedad seleccionada por androesterilidad se mantiene y se incrementa para ser usada en la población de semilla, cruzándola con el progenitor comercial original normal y utilizando la variedad masculina como progenitor femenino. (Ver esquema de proceso de de una línea mejorada con androesterilidad citoplasmática). 40.2.3 Androesterilidad genética-citoplasmática . La diferencia entre este tipo de androesterilidad y la citoplasmática estriba en que la descendencia obtenida por el cruzamiento de una planta androestéril, como hembra naturalmente y una fértil no tiene que ser necesariamente androestéril, sino que depende del genotipo de la planta que actúa como padre. Algunos autores emplean el término "citoplásmica" como abreviado del "genético-citoplásmatica", aunque no resulta del todo correcto. La androesterilidad genética-citoplasmática ocurre por una doble mutación
Tipos de androesterilidad genética-citoplasmática que se pueden generar
Citoplasma
Núcleo
Condición
N N N S S S
MsMs Msms msms MsMs Msms msms
Fértil Fértil Estéril Fértil Fértil Estéril
La androesterilidad en cebolla es de origen citoplasmático y genético. Se han detectado dos sistemas de androesterilidad genético-citoplasmática en cebolla, la llamada S y la T. Este tipo de esterilidad se debería a la incompatibilidad entre el genoma mitocondrial y el nuclear. La androesterilidad S se halló por primera vez en el cultivar Italian Red y está condicionada por la interacción del citoplasma con un gen nuclear. Por ello para producir semillas híbridas se necesitan tres líneas; la línea androestéril o línea A, la línea mantenedora o línea B, empleada para la perpetuación de la línea androestéril; y una tercera línea no relacionada con las anteriores o 211
línea C que tenga buena aptitud combinatoria con la línea A y sea fértil. El cruzamiento de A x C origina las semillas híbridas o FI, mientras que el cruzamiento de A x B sirve para mantener la línea A. Las líneas C y B al ser fértiles se mantienen por sí mismas. Las líneas padres del híbrido se mantienen por el método bulbo-semilla, sin embargo para el cruzamiento A x C se puede utilizar el método semilla-semilla en uno o ambos padres. La eficiencia del cruzamiento de las líneas A y C es de fundamental importancia en el éxito de la producción de semillas híbridas. Para ello, entre los distintos cuidados que se deben tener en cuenta, se destacan el uso correcto de los polinizadores, la sincronización de la floración y el empleo de relaciones adecuadas entre las líneas androestériles y androfértiles. Formación comercial de híbridos de cebolla de bulbo. Línea A macho estéril Smsms Línea B Mantenedora Nmsms Linea C Línea R Restauradora NMsMs Línea comercial LA x LC fértil Figura 71. Esquematización proceso de produccion de un hibrido de cebolla utilizando androesterilidad genética-citoplasmática
212
41.
Lección 41. Selección en variedades sintéticas
Se denomina variedad sintética a la generación avanzada que procede de semilla obtenida por polinización libre entre varios genotipos de una especie vegetal y en la que sus progenitores han sido seleccionados por su aptitud combinatoria general. Estos genotipos pueden ser líneas consanguíneas, clones ó poblaciones seleccionadas por diferentes procesos de mejora, (híbridos)etc. En muchos casos, esta variedad sintética acumulará genes para distintos caracteres favorables, tales como productividad, precocidad, resistencia a una enfermedad o una plaga, calidad, etc. La variedad sintética puede ser entonces utilizada para su multiplicación y entrega a los agricultores o bien, como almacén de reserva de genes en Centros de Mejoramiento. Generalmente, se usa o se intenta usar comercialmente. Las variedades sintéticas se pueden obtener, por ejemplo, a partir del cruzamiento intervarietal entre plantas alógamas, sobre todo si ambas variedades se han mejorado en su aptitud combinatoria, por selección recurrente recíproca. Las líneas consanguíneas son buenos candidatos para la obtención de una variedad sintética porque no son difíciles de mantener. Sólo los genotipos que se combinan bien entre si en todas las combinaciones entran en la variedad sintética. Este ensayo previo del comportamiento de los híbridos distingue una variedad sintética de una variedad obtenida por simple selección masal . Se ha visto que los híbridos simples, los triples y los dobles pueden servir como variedad sintética aunque el costo de producción de semilla de esta última es mucho menor que el de una variedad híbrida, ya que la variedad sintética puede usarse en un gran número de generaciones. Esto sugiere que la variedad sintética puede sustituir a los híbridos en aquellas situaciones en las que la producción de semilla híbrida no es de fiar o los costes son muy altos. La productividad de una variedad sintética depende del número de genotipos que entran en su formación, del rendimiento medio de cada uno de ellos en cruzamiento con los demás, de su aptitud combinatoria, y del sistema de reproducción de la planta, es decir, de su proporción relativa de auto y alogamia. Para calcular el rendimiento esperado en F2 de una sintética formada por un número cualquiera de líneas consanguíneas, Wright en 1922 desarrolló una fórmula, la cual dice que: la producción de la descendencia de los híbridos de n líneas consanguíneas vendrá disminuida sobre el valor medio de los híbridos en una n-sima parte de la diferencia de producción entre el valor medio de los híbridos y el valor medio de las líneas consanguíneas. Es decir: 213
F2 = F1 – (F1– P) / n en donde F2= rendimiento esperado en la F2 F1= rendimiento promedio de todos los híbridos F1 en todas las combinaciones de las líneas consanguíneas P = rendimiento promedio de las líneas consanguíneas n = número de líneas consanguíneas Admitiendo que una vez establecida una variedad sintética se comporta como una población panmíctica, entonces no habrá pérdida de vigor en las sucesivas generaciones, ya que no cambian las frecuencias génicas ni genotípicas. Es decir, el vigor de la F2se mantiene en la F3, F4, etc. (No es del todo correcto llamar a estas generaciones F2, F3, F4). Por consiguiente, la productividad de una variedad sintética depende del número de líneas que la componen, la producción media de las líneas y la producción media de las n (n - 1)/2 -híbridos posibles.
41.1. Prueba de policruzamiento o poly-cross Cuando se parte de una colección de líneas homocigóticas, de clones o de descendencias obtenidas por autofecundación en una población, se puede elegir los genotipos que van a formar la variedad sintética mediante la técnica del policruzamiento. En la obtención de una variedad sintética, en cuanto se disponga de gran número de genotipos, es materialmente imposible la realización de los cruzamientos por parejas de todos ellos. La técnica del policruzamiento o polycross permite estimar, en una colección de genotipos, la aptitud combinatoria media de cada uno de ellos con el conjunto de todas los demás. Esta prueba requiere que el material se cultive todo junto bajo condiciones de polinización abierta. El material de partida suele ser: • Una colección de líneas homocigóticas, puras ó consanguíneas. • Una colección de clones. • Una colección de descendencias procedentes de la autofecundación de cierto número de plantas de una población. 41.1.1 Variedades sintéticas de líneas homocigóticas. Para ejemplarizar la producción de variedades sintéticas de líneas homocigotos, nos puede servir el centeno. Supongamos que disponemos de 50 líneas. Situaremos el campo de policruzamiento aislado y en él se 214
siembran fajas paralelas de cinco o más surcos de cada línea pura. Luego se siembra otra faja de líneas paralelas semejante con las líneas de cinco o más surcos distribuidas al azar y así sucesivamente hasta un total, por ejemplo, de veinte fajas. Es preciso reservar semilla de todas las líneas que entran en el policruzamiento. Llegado el momento de la cosecha, se recoge junta la semilla obtenida de todas las repeticiones de cada línea, semilla que procederá del cruzamiento de la línea correspondiente con todas las sembradas. Esta semilla sirve para realizar al año siguiente ensayos comparativos de producción y averiguar cuáles son las líneas de mejor aptitud combinatoria con las restantes. La semilla de reserva de las que resulten en este ensayo, las mejores combinaciones, se mezclan en partes iguales y se multiplica en polinización libre para producir la nueva variedad sintética. 41.1.2 Variedades sintéticas obtenidas de clones. Si se parte de una colección de clones y se dispone, por ejemplo de unas cien plantas de cada clon, éstas se plantan en puntos diferentes de la parcela de policruzamiento, poniendo, por ejemplo, cinco plantas en cada punto. A partir de aquí el procedimiento es como si se tratara de líneas. Por este método se han obtenido excelentes resultados en plantas del género Festuca, ray-gras, tréboles, alfalfa y también col de Bruselas. Partiendo de líneas o clones, la variedad sintética se puede reproducir indefinidamente con la misma composición genética si se mantienen las líneas o clones y todos los años se procede a la plantación de nuevas parcelas de fundación. 41.1.3 Variedades sintéticas obtenidas de autofecundaciones. Como ejemplo de combinación de descendencias de autofecundación nos sirve el maíz, en que supondremos que partimos de una población heterogénea. El primer año se autofecundan un número elevado de plantas, doscientas o más. Seguidamente en la parcela de policruzamiento se plantan cincuenta repeticiones de tres plantas cada una, con semilla de las plantas autofecundadas del año anterior. La siembra, como en los casos anteriores, se realiza sorteando la posición de las repeticiones. La semilla obtenida al mezclar la de todas las mazorcas procedentes de la autofecundada originaria, procede prácticamente del cruzamiento de cada descendencia con todas las demás. Cada mezcla de grano entra en los 215
ensayos comparativos del año siguiente, cuyos resultados dan la información necesaria para separar, por ejemplo, las veinte mejores descendencias de las que se mezcla semilla en partes iguales, mezcla que, una vez multiplicada, constituye la nueva variedad sintética. Ver figura # Figura 72. Esquematización de la producción de una variedad sintética de maíz.
41.2. Variedades sintéticas de cultivos forrajeros El interés por mejorar plantas forrajeras surgió después de conocerse bien las técnicas de mejora de plantas autógamas y alógamas, inicialmente se aplicaron técnicas de selección masal, posteriormente con la mejora continuada de estas plantas y los avances logrados en maíz, se aplican métodos más refinados. Se puede obtener una variedad sintética de una especie forrajera a través de la combinación de plantas individuales. En 216
primer lugar se selecciona un gran número de plantas con características sobresalientes, las cuales se cruzan entre ellas y su progenie se somete a una serie de pruebas para determinar su actitud combinatoria, estos ensayos son los siguientes: • Ensayo de descendencia de variedades de polinización abierta; el cual se realiza con la descendencia derivada de semilla producida en plantas seleccionadas por cruzamiento con otras plantas presentes en las parcelas de ensayo. • Ensayo de retro cruza; la semilla con que se realiza el ensayo ha sido obtenida de individuos seleccionados (clones) que han sido sembrados alternadamente con una sola variedad probadora. • Ensayo de policruzamiento; la semilla es obtenida a cruzamientos con líneas seleccionadas cultivadas en la misma parcela de ensayo, en la cual todos los clones tienen la misma probabilidad de ser polinizados por los demás este procedimiento se repite varias veces en parcelas aisladas. • Ensayo de híbrido simple; en este método cada clon seleccionado se cruza con un cierto número de otros clones, cultivando cada clon que se van a cruzar juntos y aislados Los tres primeros tipos de ensayo miden la aptitud combinatoria general y el ensayo del híbrido simple mide la aptitud combinatoria específica de cada par de clones. Sobre la base del comportamiento de las progenies se efectúa la selección final de plantas que formaran la variedad sintética, la semilla de las plantas seleccionadas se mezcla para producir el sintético, el cual se multiplica después, a través de un número limitado de generaciones de polinización libre. Las plantas originales que forman el sintético se mantienen como clones, de tal manera que se puede construir la variedad a determinados intervalos. (Figura 73 ).
41.3. Diferencias entre variedades sintéticas e híbridos. Las principales diferencias entre las variedades sintéticas y los híbridos se pueden resumir de la siguiente manera. • • • •
Las variedades sintéticas presentan mayor variabilidad que los híbridos Su rango de adaptabilidad es mayor a la de los híbridos La semilla obtenida de estas se puede utilizar por varios años sucesivas, mientras que la de los híbridos se usa solo en una siembra. Su rendimiento es bueno a regular, siendo el rendimiento de los híbridos superior. 217
• •
Está formada por cruzamientos de líneas u otros materiales; el híbrido se forma de líneas altamente endogámicas. La semilla puede ser producida por el mismo agricultor, contrario a la semilla de los híbridos que la producen las compañías semilleras y resultan más caras.
Figura 73. Esquematización del procedimiento simplificado para la producción de una variedad sintética de especies forrajeras
.
218
CAPITULO 9. Métodos de fitomejoramiento no convencional INTRODUCCIÓN. La mejora genética clásica tiene grandes limitaciones en muchas especies vegetales para las que por diversos factores no es posible el desarrollo embrionario o presentan esterilidad parcial o total. Estas especies en su gran mayoría son poliembriónicas, sus ciclos reproductivos y juveniles son muy largos lo que requiere muchos años para iniciar programas de evaluación y selección. Adicional a esto, está el desconocimiento de los mecanismos genéticos que controlan los principales caracteres agronómicos y la forma de heredabilidad de los mismos. Esta es la causa de que en especies vegetales de reproducción asexual los programas de mejora sean muy escasos en el mundo, limitándose a algunas especies de alto valor comercial. El procedimiento de mejora que mayores resultados ha proporcionado es la selección clonal en campo, aprovechando las
mutaciones espontáneas, no obstante, este procedimiento tiene el inconveniente de que las mutaciones se producen al azar y en consecuencia no pueden dirigirse. Los desarrollos espectaculares de diversas técnicas de biotecnología que se han producido en los últimos años están permitiendo resolver una parte importante de los problemas de mejora clásica y abordar nuevos objetivos de fitomejoramiento impensables hasta ahora, como es el cruzamientos entre parentales, tetraploides y diploides; la recuperación de triploides espontáneos y obtención de híbridos somáticos entre patrones conocidos entre otros. El uso de modernas biotecnologías ha desvirtuado las barreras entre la célula animal y la vegetal, creando organismos genéticamente modificados OGM que escandalizan a los religiosos y ponen en aprietos principios éticos y ecológicos, pero que a la vez, abren nuevas esperanzas a la agricultura, al bienestar socioeconómico de las comunidades, al medio ambiente y a los sistemas de producción imperantes.
219
42.
Leccion 42. reproducción
Mejoramiento de especies de asexual
La reproducción asexual conduce a la perpetuación del mismo genotipo con gran ventaja en la mejora de plantas puesto que puede producirse un número infinitamente grande de individuos genéticamente idénticos independiente del grado de heterocigosis del genotipo, por lo tanto el fitomejorador puede aprovechar los individuos sobresalientes en cualquier momento del programa de mejoramiento, por lo que se puede decir que el proceso de mejoramiento de estas plantas puede resultar más sencillo que en otras especies. Cuando las plantas se reproducen en forma sexual, el número de cromosomas de sus células reproductivas o gametos se reduce a la mitad (se designan, entonces, células n). La unión de dos gametos en la fecundación determina que la célula resultante contenga un juego de cromosomas proveniente del padre y otro de la madre, lo que restituye el número original (2n) de juegos de cromosomas. Por lo tanto, en el ciclo de vida de una planta se alternan las fases n y 2n Las plantas que normalmente se reproducen de manera asexual presentan problemas de diferentes niveles que impiden que pueda reproducirse efectivamente de manera sexual; un factor es la alta esterilidad del polen, granos de polen aberrantes, incompatibilidad, presencia de ploidias, problemas en la viabilidad y germinación de la semilla, etc. Para superar estos problemas reproductivos de las especies y poder aprovechar los caracteres favorables que se presentan en las poblaciones de reproducción asexual, se han desarrollado métodos como la selección clonal, la hibridación y la mejora en especies apomíticas que a continuación se describen.
42.1. La selección clonal. Este tipo de selección se inicia con un estudio intensivo de muchos ejemplares de la especie, de características muy diferentes para, posteriormente, seleccionar entre ellos sólo unos cuantos que destaquen por sus caracteres favorables agronómicamente o por algún interés en especial, de tal manera que se pueda tener identificada toda la variabilidad genética existente en una misma variedad. Sólo después de haber realizado este tipo de investigación se puede disponer de una información exacta sobre la variabilidad genética y se está en disposición de elegir las mejores plantas, cuyos caracteres conviene conservar. Las evaluaciones de las mejores plantas seleccionadas se realizan por largos años, (mas de tres) y se analizan parámetros fenológicos como la germinación, la floración, la maduración, etc. Además, se analiza la calidad y la producción. Todas las medidas realizadas se introducen en una base de datos. Un programa 220
informático se encarga de identificar los ejemplares que destacan por sus características. De acuerdo con los datos se establecen las cabezas de clon (las plantas seleccionadas por poseer alguna característica interesante), para que el agricultor pueda implantar con garantías unas plantas que rendirán de acuerdo al producto que quiera obtener. Luego,durante mas de tres años se realiza una nueva selección de los mejores clones reduciendo el número. Posteriormente se injertan entre doce y veinte plantas con estas cepas, convirtiéndose en copias genéticas del clon seleccionado. Estas plantas, los clones, se evaluaran posteriormente en una finca experimental sometidas a un ambiente uniforme. Esta fase permitirá la valoración definitiva de las cabezas de clon. Al ser uniformes las condiciones ambientales, la caracterización genética es más exacta. En condiciones normales, esta fase suele concluir con la eliminación de algunos de los clones deficitarios y se mantienen aquellos que realmente destacan por sus propiedades. Figura 74. Esquematización de un programa de selección clonal en papa Solanum sp
Fuente: http://www.cipotato.org/training/materials/Tuberculos-Semilla/semilla5-2.pdf
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Inmediatamente después de este proceso se realiza la multiplicación de los clones, seleccionados, libres de virus, los cuales son sembrados en los cultivos comerciales y/o a los viveros, quienes serán los que suministren los clones a los agricultores. Las consecuencias de una selección clonal son diversas como las que se mencionan en seguida: •
Se consigue poner a salvo la variabilidad genética dentro de cada variedad. Pensemos que la reproducción tradicional asexual, por yemas, estacas, acodos etc. puede haber reducido la variabilidad en muchos casos y por consiguiente, se ha perdido toda la variabilidad.
•
Se puede poner a disposición del productor una gama de variantes de la variedad, con características muy definidas que le permitirán seleccionar aquellas sobre criterios bien establecidos y en función de los gustos del consumidor.
•
Se certifica la garantía sanitaria, aspecto de gran importancia que debe cumplirse en toda selección clonal, en especial para la presencia de virus, con lo cual se puede garantizar la reducción de las pérdidas en los parámetros de calidad y de producción aumentando considerablemente la vida media de las plantas
A manera de resumen, la metodología que se lleva a cabo en la selección clonal en es : •
Preselección (prospección) clonal: - identidad varietal - características agronómicas - cualificación sanitaria
•
Selección sanitaria: - diagnóstico frente a las virosis:
Selección clonal (en sentido estricto): - evaluación agronómica. La selección de la variedad sana y que corresponda a las características deseadas es el primer paso del proceso de selección clonal, esta selección es llevada a cabo por varios años, lo que convierte a estas plantas en el mejor campo plantado con la mejor semilla disponible. Seguido, cada planta seleccionada es evaluada para descartar la presencia de enfermedades. Sólo aquéllas que resulten negativas continúan en el sistema clonal. Es muy importante también que las plantas seleccionadas correspondan a la variedad y sean plantas vigorosas y bien formadas. A la 222
cosecha se continúa la selección y sólo se seleccionan las plantas de buen rendimiento. La multiplicación de cada clon se mantiene año tras año por varias generaciones. Los clones seleccionados de una planta seleccionada se siembran juntos al año siguiente y se va sembrando descendencia de manera exponencial en los años siguientes al lavez que se eliminan todas las plantas que no reúnan las características deseables y las plantas enfermas, aun cuando solo sea una en toda la población. Después del sexto año o ciclo de multiplicación se detiene la multiplicación de cada clon identificado y más bien se hacen multiplicaciones en conjunto. En cada multiplicación, al igual que en todas las multiplicaciones de clones previas, se deberán tomar todas las precauciones necesarias para la producción de semilla y también seguir las normas para la producción de semillas certificadas.
42.2.
Hibridación y selección clonal
La hibridación se realiza para crear nuevos genotipos, pero está condicionada por el heterocigótico que causa una variabilidad fuerte de los caracteres en la progenie, de donde es necesario seleccionar los mejores. Para entender el proceso de hibridación y selección clonal citaremos el ejemplo del proceso de mejoramiento de la papa solanum tuberosum, especie de reproducción asexual, tomado de la Revista Latinoamericana de la Papa . 1988. 1(1):35-43 La papa común tiene cuatro juegos de doce cromosomas cada uno (48 cromosomas en total) en sus células somáticas, y dos juegos (24 cromosomas en total) en sus gametos. En la mayoría de las papas silvestres la situación es distinta: la célula somática tiene dos juegos de cromosomas (24 cromosomas) y los gametos uno (siempre de doce cromosomas). La alternancia corriente de fases n y 2n puede modificarse espontáneamente o por acción de factores externos. Para entender esto es conveniente definir como haploide a la planta que, por haberse originado a partir de una célula reproductiva que no ha sido fecundada, tiene el mismo número de cromosomas que un gameto, es decir n en lugar de 2n. Se pueden obtener haploides de la papa común. El desarrollo de un nuevo individuo a partir de gametos femeninos o masculinos, sin intervención de la fecundación, se denomina partenogénesis (de -parthénos-, virgen); según el sexo de la célula reproductiva que se desarrolle, esta puede ser femenina (ginogénesis) o masculina (androgénesis). La capacidad de producir haploides se ha aprovechado para facilitar la incorporación a la papa común de ciertas características deseables 223
de las especies silvestres, pero evitar las dificultades que habitualmente se presentan cuando se pretende obtener híbridos de progenitores con distinto número de cromosomas. Hace alrededor de cuarenta años, un grupo de investigadores de la universidad de Wisconsin, liderados por Stanley J. Peloquin, diseñó un proceso muy eficiente para obtener gran cantidad de haploides de papa con adecuada diversidad para las necesidades del mejoramiento genético. Utiliza como madres plantas de papa común con tallos verdes y como padres, una especie cultivada en los Andes (Solanum tuberosum subespecie phureja) que posee tallos púrpura. En ambas, el color del tallo está controlado por un gen que adopta dos formas (o alelos): la p, que controla la formación de tallos verdes, y la P, que controla la formación de los púrpuras. Como P es dominante, basta que una planta tenga uno de tales genes por célula para que su tallo sea púrpura, pero sólo se tendrán tallos verdes cuando todos los alelos de la planta que controlan esa propiedad sean de la forma p. Los cruzamientos directos entre papa común (tetraploide) y la citada especie andina (diploide) no dan progenie debido a que, en las semillas que se forman, se produce un desequilibrio en el endosperma. Por eso, se espera que, de esos cruces, sólo resulten plantas con tallo verde, originadas por ginogénesis, la única forma de que todos sus genes sean p. La partenogénesis ocurre porque los dos gametos masculinos fecundan la célula central en lugar de fecundar esa célula y el gameto femenino, lo que originaría un endosperma equilibrado que estimularía el desarrollo del gameto aunque este no hubiese sido fecundado. Las plantas con tallo púrpura que ocasionalmente aparecen entre la descendencia son el resultado de hibridaciones excepcionales. Como el color del tallo se manifiesta en plántulas de pocos días, es muy fácil realizar la selección en los almácígos (Figura 75. a). Las plantas haploides son generalmente más débiles que las que le dieron origen y su polen es estéril. Sin embargo, pueden cruzarse directamente con especies silvestres si se utilizan como madres, lo cual permite incorporar germoplasma silvestre potencialmente útil para el mejoramiento genético, pues los híbridos resultantes, además de poseer las características deseables de las especies silvestres, son generalmente muy fértiles y pueden usarse en etapas ulteriores del mejoramiento. Los híbridos obtenidos por cruzamiento de las especies silvestres y los haploides tienen dos juegos de cromosomas (son diploides). El máximo potencial para la producción de tubérculos se logra con plantas tetraploides (con cuatro juegos de cromosomas). Por lo tanto, luego de haberse obtenido las características deseadas en plantas con células diploides, hay que volverlas tetraploides. Desde el punto de vista genético, uno de los caminos más ventajosos para hacerlo es emplear gametos con el mismo número de 224
cromosomas que la planta que les dio origen (gametos 2n), en lugar de la situación habitual, en la que el número de cromosomas está reducido a la mitad. Tal tipo especial de gametos puede generarse mediante procedimientos controlados genéticamente. Pero así se afecta nuevamente la alternancia de generaciones n y 2n. El esquema de mejoramiento genético que se ha descrito se denomina analítico-sintético, debido a que transcurre en dos etapas: en la primera (analítica) se busca mejorar juegos de cromosomas y, en la segunda (sintética), se ensamblan los juegos de cromosomas mejorados para producir plantas con vigor hibrido que puedan eventualmente constituir una variedad útil (Figura 75.b ). Figura 75. Esquema de los sistemas de mejoramiento genetico utilizado en Papa
Los ciclos de selección pueden ser del tipo "semilla-semilla" o "semillatubérculo-semilla". Los ciclos "semilla-semilla" son más fáciles de llevar a cabo, pero presentan la desventaja de que en ello sólo se controla el progenitor femenino, sobre el que se cosechan bayas de polinización libre. En los ciclos "semilla-tubérculo-semilla" se realizan cruzamientos controlados entre progenitores seleccionados para obtener la semilla con la que se iniciará el ciclo siguiente. Ello hace que la realización de este tipo de ciclo sea más laboriosa pero, si se dispone de facilidades para realizar los cruzamientos en el mismo año en el que se practica la selección, el progreso que se logra por año es mayor. A partir del cuarto ciclo de selección recurrente se puede comenzar a realizar cruzamientos controlados entre clones destacados de las diferentes 225
poblaciones, para explorar las posibilidades de obtener respuestas heteróticas dentro y entre niveles de ploidía. En síntesis, un plan de mejoramiento genético de la papa implica: •
El manejo de poblaciones de ploidías distintas (x y 4x), lo cual permitiría comparar eventualmente el progreso genético del mejoramiento de caracteres análogos en condiciones de herencia tetrasómica y herencia disómica.
•
Manipulaciones de ploidía: obtención de haploides (2n=2x=:24) a partir de tetrapoides (2n = 4x = 48) identificación y uso de gametos 2n y producción de tetraploides mediante cruzamientos 4x—2x y 2x—2x.
•
Detección y uso de la heterosis que se produce en la progenie de cruzamientos entre individuos (clones) adaptados a las condiciones del medio local, aunque considerablemente distantes desde el punto de vista genético, por haber sido seleccionados en poblaciones independientes.
En los programas convencionales de mejoramiento genético de papa, particularmente en aquellos países que tienen sistemas adecuados de producción de tubérculo-semilla, se utiliza el método de pedigrí, que consiste en la realización de cruzamientos controlados entre progenitores tetroploides seleccionados por rendimiento, resistencia a agentes bióticos y abióticos perjudiciales y otras características agronómicas favorables, seguida de la selección clonal durante varios ciclos. En este proceso de hibridación se tiene en cuenta los siguientes procedimientos: •
Herencia tetrasómica
La herencia tetrasómica presenta ventajas y desventajas para el mejoramiento genético sobre la herencia disómica. De acuerdo con la teoría actualmente aceptada de heterosis en papa las interacciones dentro y entre locus son muy importantes para la determinación del rendimiento. Con un número máximo posible de cuatro alelos diferentes por locus, pueden existir 11 interacciones en un locus tetrasómico. En diploides, por otro lado, el número máximo de alelos diferentes por locus es dos y, consecuentemente, sólo es posible una interacción interalélica. 'Por ende, el nivel tetrasómico es de mayor potencialidad productiva que el disómico, ya que puede albergar mayor diversidad genética por locus; ello genera la posibilidad de promover respuestas heteróticas no alcanzables en el nivel de ploidía inferior (22). Datos experimentales obtenidos en papa y en otros tetraploides tetrasómicos naturales (alfalfa) e inducidos (maíz y centeno autotetraploides), sustentan esta teoría. 226
La herencia tetrasómica, sin embargo, es más compleja que la herencia disómica. Por ello, para realizar cualquier estudio genético se requieren progenies numerosas. Por ejemplo, si se considera un locus con dos alelos, A y a, en un diploide son posibles tres genotipos: AA, Aa y aa. En contraste, en un tetraploide son posibles cinco genotipos: AAAA (cuadruplexo), AAAa (triplexo), AAaa (duplexo), Aaaa (simplexo) y aaaa (nuliplexo). En consecuencia, la segregación en diploides puede ocurrir como resultado del apareamiento de un solo genotipo, Aa, mientras que en tetraploides puede ocurrir por el apareamiento de tres genotipos, AAAa, AAaa, Aaaa. Cuando se autofecunda un individuo heterocigota para un locus, la probabilidad de obtener descendientes homocigotas recesivos es de 1/4 en diploides y de 1/36 en tetraploides duplexos. En adición, fenómenos como la dominancia incompleta y la doble reducción pueden aumentar la complejidad de la herencia tetrasómica en comparación con la disómica. Esta complejidad puede ser un verdadero obstáculo cuando se desea recuperar en la descendencia determinados genotipos recombinantes, especialmente para caracteres controlados por poligenes, como rendimiento o resistencia a algunas enfermedades. Las dificultades expuestas, en conjunción con las limitaciones impuestas por la cantidad de material que un fitomejorador puede manejar por el método de pedigrí y la estrecha base genética de la papa cultivada, Solanum tuberosum spp- tuberosum hacen que los avances en el mejoramiento genético en el nivel tetraploide sean lentos y posiblemente, algunos de ellos vayan acompañados del deterioro en otros. Ello explicaría, en parte, por qué algunas variedades europeas sigan siendo cultivadas, a más de 70 años de haber sido creadas. •
Haploidización
Esta es una técnica propuesta por Hougas y colaboradores, de cruzamientos 4x X 2x, para producir haploides ginogenéticos de papa en grandes números. Recientemente se han afinado técnicas para producir haploides androgenéticos por cultivo in vi tro de anteras. En general, el proceso de haploidización permite al investigador beneficiarse con la herencia disómica, ya que los haploides (2n=2x—24) derivan de clones tetraploides (2n=4x=48) con herencia tetrasómica. La haploidía provee una forma de explorar la variabilidad genética existente en individuos poliploides y permite obtener genotipos gaméticos élite, que pueden usarse en el fitomejoramiento mediante los procedimientos habituales (cruzamientos, retrocruzamientos, selección). Este proceso va acompañado de una marcada pérdida de vigor, fertilidad, los haploides de papa son en su mayoría androestériles y de menor productividad en comparación con el 227
progenitor tetraploide y un incremento en el coeficiente de endocría como resultado de la doble reducción. Muchos caracteres de interés económico, por ejemplo la resistencia a agentes bióticos (Phytophthora, Alternaría. Streptomyces), virus X, virus Y, virus del enrollado de la hoja de papa, nematodos, etc) y abióticos (heladas, calor, sequía) han sido descritos en especies silvestres de papa. La mayoría de las especies silvestres son diploides y no es posible obtener descendencia directamente en cruzamientos con tetraploides debido a problemas en el desarrollo del endospermo a menos que las especies diploides produzcan gametos 2n. Ese problema puede resolverse mediante la duplicación del número cromosómico de las especies diploides con colquicina previamente a la realización del cruzamiento 4x—2x, pero este método presenta la desventaja de producir híbridos con herencia tetrasómica. Sin embargo, es posible ampliar la base genética de la papa cultivada mediante cruzamientos entre haploides seleccionados y otros Solanum diploides silvestres y cultivados. Los híbridos entre haploides de Tuberosum y especies silvestres son, en general vigorosos y fértiles, ya que las especies aportan no sólo diversidad genética sino también fertilidad masculina. Dado que los haploides contribuyen con características agronómicas favorables en el híbrido, es posible recuperar progenies agronómicamente aceptables en pocos ciclos de selección. Las manipulaciones adicionales que se realizan con posterioridad a la síntesis del híbrido haploide-especie se hacen a expensas de una porción de la heterocigosis inicial del mismo y por ello, no son convenientes. Sin embargo, en muchas situaciones prácticas no es posible profundizar la fase analítica de mejoramiento de genomios antes de la síntesis del híbrido diploide, lo que trae como consecuencia la necesidad de afrontar esa pérdida de heterocigosis. Aparentemente, este es un precio que debe ser pagado ya que, con los métodos corrientes, es casi nulo el progreso que se puede lograr al realizar ciclos de selección por tuberización en poblaciones de especies puras, previamente a la síntesis del híbrido. •
Poliploidización
El producto final del mejoramiento genético debe ser tetraploide ya que ese es, aparentemente, el nivel óptimo de ploidía de la papa cultivada. La restauración del nivel tetraploide puede hacerse en forma asexual, mediante la aplicación de colquicina en tejidos somáticos o por regeneración de plantas a partir de callos derivados de tejido foliar en cultivos in vitro; en 228
forma sexual, mediante cruzamientos en los que funcionan gametos 2n o en forma parasexual, mediante la fusión de protoplastos. Las consecuencias genéticas de cada uno de los procesos de poliploidización son diferentes, ya que el nivel de variabilidad genética manifestado por la progenie es una función de aquél presente en los padres y del modo de poliploidización. Por ejemplo, si se consideran dos individuos heterocigotas para un locus, AiA2 y A3A4, con un coeficiente de endocría (F2x) igual a O, capaces de producir gametos 2n y de hibridarse en forma sexual y parasexual, la duplicación somática de los cromosomas originará tetraploides dialélicos balanceados, A1A1A2A2 y A3A3A4A4 considerablemente endocriados (F4x—1/3). Estos tetraploides mantienen inmodificado el contenido genético de sus contrapartes diploides correspondientes. La poliploidización sexual es el método más eficiente y de fácil aplicación para restaurar el nivel tetraploide. Mediante el uso de mutantes meióticos que afectan a los procesos de microsporogénesis, megasporogénesis, o a ambos, es posible transmitir genotipos seleccionados en el nivel diploide al nivel tetraploide en forma casi intacta.
42.3. Métodos de mejoramiento en especies apomíticas La apomixis consiste en la formación de semillas que contienen embriones genéticamente idénticos a la planta madre, generados sin que intervengan los procesos de meiosis y fecundación y da como resultado plantas que son clones exactos de la planta madre. Esta característica ocurre en forma natural en más de 400 especies de plantas, incluyendo cítricos, trigo, mijo y algunas variedades de Tripsacum, un pariente silvestre del maíz. En una forma apomíctica de reproducción, se transfieren copias exactas de los cromosomas de la planta progenitora a la progenie, con lo cual cada descendiente es un clon de su antepasado. Esta transferencia directa de cromosomas (y por lo tanto de características) continúa generación tras generación. Las plantas apomícticas facultativas pueden ser mejoradas por metodologías de cruzamiento convencionales. En las apomícticas obligadas la hibridación y el análisis de segregación son impracticables, por lo cual el mejoramiento se realiza por: selección y multiplicación de los mejores genotipos naturales partiendo de una amplia colección de germoplasma. Las progenies de tales plantas exhiben siempre el fenotipo materno o pueden ocasionalmente aparecer variantes que probablemente surjan de mutaciones más que de segregación sexual. Por ello, la disponibilidad de individuos sexuales o con algún grado de sexualidad (apomícticos facultativos) es un requisito fundamental para el mejoramiento de estas especies. Estos 229
individuos presentan un cierto grado de variabilidad como para aumentar las posibilidades de supervivencia de la especie frente a cambios ambientales y aportan asimismo germoplasma útil para el mejoramiento. Uno de los principales requisitos para llevar adelante un programa de mejoramiento de una especie apomíctica es la colección de germoplasma diverso desde las fuentes de origen para ampliar la base genética disponible e identificar introducciones sexuales o altamente sexuales (apomícticas facultativas con alta expresión de sexualidad). La evaluación de especies relacionadas es también una alternativa importante cuando no se dispone de plantas sexuales de la especie de interés. El adecuado conocimiento de la biología, citología y modo de reproducción de los materiales disponibles es un requisito fundamental para cualquier estrategia de mejoramiento. Los estudios realizados para determinar la base genética de la apomixis en varias especies de gramíneas indican que el carácter presenta un tipo de herencia simple, haciendo posible entonces su manipulación en programas de mejoramiento una vez que son detectados individuos sexuales o apomícticos facultativos. En estos casos los genotipos apomícticos obligados con características deseables pueden ser usados como dadores de polen. Debido a que los gametos masculinos son completamente normales (reducidos) y que la mayoría de las especies apomícticas son altamente heterocigotas, los cruzamientos entre individuos sexuales (utilizados como progenitores femeninos) y apomícticos (empleados como dadores de polen) pueden conducir a la generación de progenies F1 variables donde es posible seleccionar. Figura 76. Esquema de un programa de mejoramiento de una especie apomíctica
Fuente: http://www.sagpya.mecon.gov.ar/new/0-0/programas/biotecnologia
230
Hay que tener en cuenta que si bien son necesarios individuos sexuales o con adecuada expresión de sexualidad para realizar las cruzas, en el momento de la selección habrá que usar el criterio contrario, es decir, seleccionar por un alto grado de expresión de la apomixis. Esto conducirá a la obtención de variedades estables. El objetivo final de un programa de mejoramiento de una especie apomíctica en el cual ha sido posible obtener recombinación genética es la identificación en la población segregante de los genotipos superiores, con reproducción completamente (o casi completamente) apomíctica que puedan ser transformados en cultivares mediante su multiplicación por semillas. El camino no es sencillo porque en cada generación es necesario distinguir en la progenie, cuáles son los individuos generados por sexualidad y cuales por apomixis. Dentro de los generados por sexualidad, habrá que seleccionar los que al mismo tiempo posean las mejores características agronómicas y presenten un alto grado de expresión de la apomixis. Otro aspecto a tener en cuenta es el nivel de ploidía de los progenitores que serán empleados en los cruzamientos. Los primeros estudios de hibridación indicaron la necesidad de realizar cruzas entre especies sexuales y apomícticas con el mismo nivel de ploidía ya que varios intentos realizados entre diploides sexuales y poliploides (en general tetraploides) apomícticos condujeron a la generación de progenies estériles. •
Usos potenciales de la apomixis en el mejoramiento de plantas naturalmente sexuales.
La ausencia de recombinación durante la megagametogénesis y de fecundación de la ovocélula por un gameto masculino posibilita la generación de embriones que presentan una constitución genética idéntica a la de la planta madre. La apomixis es un carácter utilizable en el mejoramiento de plantas y la producción de alimentos, ya que puede ser percibida como una herramienta ventajosa para la estabilización de genotipos superiores y la fijación combinaciones híbridas. La perspectiva de clonar genotipos superiores híbridos podría representar una ayuda importante para los productores agropecuarios, en especial de aquellos de bajos recursos económicos, permitiéndoles sostener altos rendimientos año tras año usando parte de las semillas cosechadas sin pérdidas en la producción debidas a la segregación. Entre otras ventajas, la expresión de la apomixis reduciría al mínimo el aislamiento físico requerido para preservar líneas genéticas homocigotas.
231
43. Lección 43 Mejoramiento genético mediante inducción de mutaciones. Las mutaciones son cambios o alteraciones en uno o más caracteres en el material genético de la célula en la duplicación del ADN, circunstancia que ocurre siempre en el proceso de meiosis o mitosis, son espontáneas en uno o en un corto número de individuos, que transmiten éstos a su descendencia. Las mutaciones también puede ser inducidas por compuestos o sustancias químicas, rayos X, radiación ultravioleta, radios gamma, temperaturas elevadas, antibióticos y otros agentes mutagénicos. Los estudios de las mutaciones inducidas iniciaron tempranamente con el uso de rayos X por parte de Muller en 1927, produciendo variantes genéticas en Drosophila, seguidamente Stadler utilizo los mismos rayos X para producir mutaciones en plantas de cebada y maíz, despertando el interés de los fitomejoradores, por inducir mutaciones artificiales en la mejora de las plantas, sin embargo los resultados fueron desconsoladores por lo que esta práctica de utilizar la mutación inducida en el mejoramiento de las plantas fue disminuyendo gradualmente, en especial por que los fitomejoradores se dieron cuenta que muchas de estas mutaciones inducidas eran casi perjudiciales sobre el fenotipo de las plantas y entendieron también que muchas de los caracteres que deseaban mejorar estaban presentes en la variabilidad existente. Aun hoy en día existen muchos problemas por resolver con la mutaciones inducidas, que permitan considérala como una de las principales métodos de fitomejoramiento y mas bien, se tiene como un proceso complementario de los otros métodos de mejora vegetal, sumado a esto tenemos que los cambios producidos por las mutaciones son cientos de veces más los perjudiciales que los favorables y la mayoría de los mutantes son recesivos, por lo tanto para detectar un mutante con las mejoras deseadas, es necesario cultivar poblaciones en segunda generación de manera muy numerosas, y estos cambios no son fáciles de detectar, por lo que quizá las alteraciones que normalmente se obtienen, tienen que ver con aquellas alteraciones fonológicas fácilmente diferenciables, como la altura, tamaño y forma de las flores, tipos tardíos o tempranos, es decir caracteres de alta heredabilidad. Las mutaciones logradas en plantas autógamas se utilizan como variedades, para realizar cruzamientos de un mutante con el parental, o de diferentes mutantes del mismo parental o con de diferentes parentales y cruce de un mutante con una variedad o línea diferente. En plantas alógamas se induce mutaciones para incrementar la variabilidad, mejoramiento de la heterosis e inducción de esterilidad masculina. 232
Se usa mutaciones cromosómicas para transferir caracteres de otras especies y géneros. También se utiliza agentes mutagénicos para problemas específicos de mejoramiento como: •
Uso de radiación para producir haploides.
•
Uso de radiación para la producción de sexualidad transitoria en apomícticos
•
Uso de radiación para reducir incompatibilidad en cruces alejados.
•
Uso de mutaciones inducidas para estudios específicos de los procesos genéticos, fisiológicos, morfológicos y bioquímicos en las plantas.
Objetivos de la inducción de mutaciones. Los principales objetivos que se buscan con el uso de agentes mutagénicos en la mejora genética de plantas puede resumirse en los siguientes puntos. •
Mejorar una o pocas características de una variedad o línea.
•
Inducir un marcador morfológico (color, aristas, etc) para establecer la identidad de una línea promisoria para su registro como variedad.
•
Inducir esterilidad masculina o restaurar la fertilidad en líneas para la producción de híbridos.
•
Obtener dentro de genotipos bien adaptados mutantes para características de herencia simple útiles para el mejoramiento o para inducir mutaciones posteriormente.
•
Incrementar rendimiento y resistencia a enfermedades y plagas.
•
Conferir mejoras especificas a variedades sin alterar significativamente su comportamiento general, en un corto periodo, lográndose características no encontradas en la variabilidad natural
A manera de ejemplo de mejoramiento genético utilizando inducción por mutación, presentamos el caso del proceso para la obtención del arroz en Cuba por Suarez. E. (1998). Semillas de la variedad de arroz seleccionada son irradiadas y sembradas en el campo para desarrollar la generación M1 en la cual es cosechada una panícula por planta para conformar la generación M2. Esta es sembrada en semilleros y trasplantada al campo a los 20 – 25 días de germinada. En esta generación se realiza la selección por planta en dependencia de los objetivos 233
de trabajo. En la generación M3, la semilla de cada planta M2 seleccionada es sembrada en surcos de 5 m de longitud y separados 30 cm entre si. A partir de esta generación el programa continúa con las evaluaciones en los diferentes estudios hasta la liberación de una nueva variedad. •
Variedades empleadas:
La selección de la variedad para la irradiación depende del carácter que se pretende mejorar. En todos los casos se debe seleccionar una variedad con un comportamiento general satisfactorio y donde sólo sea necesario mejorar uno o dos caracteres. En el desarrollo del programa han sido empleadas siete variedades cuyas principales características, así como los objetivos perseguidos con la irradiación, aparecen descritas en la tabla 1. Tabla 12. Variedades empleadas en el mejoramiento por inducción de mutaciones
Variedad
Tipo
Rendimiento Maduraci potencial ón
Objetivo
J104
Indica Semienana Indica Semienana Indica alta
Alto
Media
Alto
Media
Bajo
Media
Calidad del grano Maduración temprana Calidad del grano Maduración temprana Reducción de altura
Indica alta Indica alta
Bajo Alto
Indica Semienana Indica intermedia Indica alta
Alto
Media Sensible al fotoperiodo Media
Reducción de altura Insensibilidad fotoperiodo Calidad del grano
Alto
Media
Calidad del grano
Bajo
Reducción de la altura
Indica Semienana
Alto
MediaLarga Media
ECIA 91 (6104) Basmati 370 Gloria Caribe 7 Incuba 19 LC 88-66 Jorge Valladares InCuba 28
al
Resistencia a Glifosato
• Fuentes y dosis de irradiación Se usaron dos fuentes de radiación diferentes: Rayos gamma de Co60 y neutrones rápidos de 14 Mev. La radiosensibilidad de las variedades fue determinada midiendo la altura a los 21 días después de la germinación en plántulas procedentes de semillas irradiadas y no irradiadas (control) y se calculó la reducción del crecimiento. Las dosis de irradiación determinadas se encuentran entre 200 - 350 Gy para rayos gamma y de 20 – 30 Gy para neutrones rápidos. Estas dosis se corresponden con una reducción del crecimiento del 10 – 30 %.
234
•
Variabilidad genética creada
En el cultivar J 104 los objetivos de trabajo estaban encaminados a la obtención de mutantes con buena calidad del grano y con maduración más temprana. Los resultados mostraron una mayor variabilidad que la esperada. En la generación M2 se seleccionaron 449 plantas, de ellas 439 presentaban granos estrechos y cristalinos, así como maduración más temprana que la variedad parental, mientras que las 10 restantes poseían tipo de planta compacto. ( tabla 2). A partir de la generación M3 y hasta M6 fueron seleccionadas 458 líneas mutantes para los estudios observacionales y 41 de ellas han sido estudiadas en los ensayos regionales en diferentes localidades del país
•
Variedad parental
Cruces simples
Cruces múltiples
Total
J 1004 Gloria Basmati 370 Total
439 129 42 610
269 65 9 343
708 194 51 953
Variedades obtenidas a través de mutaciones en el cultivar J104
El mejoramiento genético a través de la inducción de mutaciones no sólo persigue la liberación directa de mutantes como variedades comerciales, ya que la selección de progenitores para ser empleados en los Programas de Cruzamiento. Otros de los resultados importantes del programa de mejoramiento mediante la inducción de mutaciones, iniciado en 1989 ha sido la obtención de nuevas variedades para su liberación como variedades comerciales para la producción nacional. Tabla 13. Variedades obtenidas a través de la inducción de mutaciones en el
Nombre Ciclo a Principales características maduración Resistencia a Pyricularia grisea Buena calidad Medio Alto potencial de rendimiento agrícola Tolerancia a bajas temperaturas Medio Alto potencial de rendimiento en condiciones de bajos insumos Medio Buena calidad del grano Tolerancia al síndrome de vaneado del grano Medio Buena Calidad del grano Tolerancia al síndrome de vaneado del grano Resistencia a Pyricularia grisea Enrique Suárez http://agr.unne.edu.ar/fao/Cubapt/5MEJORAMIENTO%20%20MUTACIONES%20-Crestelo.pdf Incuba 21 Incuba 22 Incuba 23 Incuba 27 Incuba 28
Medio
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44. Lección 44. Selección asistida con marcadores moleculares La selección asistida con marcadores genéticos (SAM) es una esperanzadora tecnología que permite acelerar el desarrollo de nuevas variedades con rasgos determinados sin necesidad de intervenir en el genoma de las variedades actualmente existentes. Esta técnica se basa en identificar una secuencia singular o única del ADN (marcador molecular) cercana a un carácter de interés agronómico (por ejemplo un gen de resistencia). Un vez logrado esto las plantas portadoras de este carácter agronómico son marcadas, y rápidamente seleccionadas en poblaciones segregantes según presenten o no el marcador desarrollando nuevas variedades con los genes deseados Existen tres tipos de marcadores que se pueden emplear en la selección e identificación varietal: los marcadores morfológicos, los bioquímicos, y los moleculares.
44.1 Los Marcadores morfológicos. Son fáciles de ver, corresponde a aquellos atributos físicos del germoplasma como forma de la raíz, del tallo, de la hoja, de las flores, semillas, que describen e identifican la especie y son comunes a todos los individuos de la especie; estos caracteres son altamente heredables y presentan poca variabilidad, pero tienen como principal inconveniente que hay un bajo número de ellos, la mayoría son dominantes, puede haber problemas de epistasia (epistasia = interacción génica en la cual un par de alelos inhibe la manifestación de otros pares) y su expresión no siempre es temprana en el desarrollo.
44.2 Los marcadores morfoagronómicos. Son aquellos caracteres que son relevantes en la utilización de especies cultivadas; pueden ser de tipo cualitativo y/o cuantitativos, como la forma de hojas, la pigmentación en tallos, raíz, flores, y frutos, arquitectura de la planta, habito de crecimiento, ramificación, macollas. Estos marcadores tienen aceptable heredabilidad, pero son afectados por el ambiente, también se utiliza como descriptores de evaluación.
236
44.1. Los marcadores bioquímicos Basados en la generación de patrones electroforéticos isoenzimáticos, se caracterizan por su simplicidad, mínima cantidad del material en estudio, bajo costo y una cobertura del genoma de 10-20 loci por especie, ausencia de epístasis e influencias ambientales. La expresión alélica es de tipo codominante, lo que permite establecer comparaciones entre especies, poblaciones de una misma especie y detectar la presencia de híbridos e introgresión de genes. Entre sus desventajas se incluye un nivel bajo de polimorfismo al presentar pocos alelos por locus, especialmente cuando la base genética es estrecha. Otro aspecto a considerar es que las proteínas, siendo un producto de la expresión génica, pueden ser afectadas cualitativa y cuantitativamente en su nivel de expresión por factores ambientales. Para aumentar la eficiencia de la técnica ante este factor, deben identificarse los estados de desarrollo de la planta durante los cuales la proteína es estable. Además, al igual que con las proteínas de reserva, las isoenzimas pueden o no reflejar los cambios genéticos que ocurren en el ADN, además sólo un set de genes estructurales está representados en estas proteínas, vale decir, sólo parte del genoma se puede evaluar.
44.3 Los marcadores moleculares Se basan en la amplificación del ADN o parte del mismo, que pueden ser regiones codificantes o no codificantes o secuencias conocidas que permite comparar los genomas dentro y entre especies. La amplificación de los segmentos de ADN se realiza con la técnica del PCR, (Polimerasa Chain Reaction, en ingles; Reacción de cadenas de la polimerasa), como en el caso de los ADN polimórficos amplificados al azar o RAPDs (Random Amplified Polymorphism DNA), o en la generación de sitios de corte en la secuencia del ADN, como en el caso de los polimorfismos de longitud de fragmentos de restricción o RFLPs (Restriction Fragment Length Polymorphisms) y dentro de ellos se pueden diferenciar varios tipos como veremos mas adelante. Los marcadores moleculares se caracterizan porque su detección es fácil y rápida, muchos son codominantes, hay ausencia de pleiotropismo y epistasia, la expresión es temprana, su distribución es homogénea en muchos casos y presentan un alto polimorfismo (pleiotropia = un único par de genes actúa en la manifestación de varios caracteres). Con la ayuda de marcadores moleculares, es posible identificar caracteres útiles de tolerancia o resistencia a los principales tipos de estrés biótico y 237
abiótico en el germoplasma de una especie, hacer cruzamientos interespecíficos y seleccionar germoplasma respecto a estos caracteres útiles. Con ellos se realiza un estudio directo de la molécula de ADN, por lo tanto los resultados obtenidos son totalmente independientes de las condiciones ambientales, pudiendo ser utilizados para identificar correctamente un individuo, para establecer grados de similitud entre individuos o entre accesiones en una colección o para detectar la presencia de un gen o alelo en particular. Su uso ha revolucionado el mejoramiento tradicional aportando herramientas genómicas, útiles para la incorporación de genes que están altamente influidos por el ambiente y otros de difícil estudio como los que confieren resistencia a enfermedades y para acumular múltiples genes para resistencia a patógenos específicos y plagas dentro del mismo cultivar (piramidización génica). También ha permitido al fitomejorador el avance generacional más rápido, ya que a través del uso de PCR se puede detectar si el gen está presente en las líneas evaluadas en generaciones más tempranas durante el proceso de mejoramiento. A continuación se describen brevemente los marcadores moleculares mencionados de cada técnica.
44.3.1 RFLP (Polimorfismo en el tamaño de los fragmentos de restricción). Se basa en la detección de fragmentos de ADN de distinto peso molecular (por digestión con la misma enzima de restricción que cortan en millones de fragmentos el ADN) en diferentes organismos, que puede ser debido a mutaciones puntuales, inserciones, delecciones o rearreglos en el genoma, producidas por las traslocaciones o inversiones, generando pérdidas o ganancias de sitios de reconocimientos de las enzimas de restricción. Es de gran utilidad para estudios filogenéticos, diversidad genética e identificación de cultivares con propósito de protección varietal; se puede evaluar en cualquier estadio de desarrollo de la planta; permite observar dominancia. Las desventajas, son el uso de radioactividad y la necesidad de usar grandes cantidades de DNA.
44.3.2 Los Minisatélites Se basa en la existencia de secuencias repetitivas organizadas en bloques que se encuentran dispersas a lo largo del genoma nuclear formando bloques altamente variables llamadas VNTR (Variable Number of Tandem 238
Repeats). El polimorfismo se origina en la variación en el número de unidades repetitivas dentro de cada bloque originando los VNTRS, por el intercambio desigual de unidades en el proceso de recombinación, produciendo una expansión o contracción del bloque repetitivo. Su ventaja reside que en una sola electrofóresis permite encontrar el polimorfismo; su desventaja reside en la utilización de radioactividad para la detección y a que no es muy práctico para estudios genéticos, solo para discriminar. 44.3.3 Los RAPD, fragmentos polimórficos de ADN amplificados al azar Los marcadores RAPD son una de las técnicas más versátiles desde que se desarrollaron en los años 90. Consiste en una reacción compuesta básicamente por ADN molde, cloruro de magnesio, nucleótidos, ADN, TAQ polimerasa, tampón o buffer TAQ, e iniciadores o primers decámeros, para amplificar mediante PCR áreas especificas distribuidas al azar por el genoma. Su pequeñez y la baja temperatura de unión (36°C) aseguran que se unan a infinidad de secuencias en el genoma, para conseguir amplificar muchos fragmentos de ADN. Estos fragmentos de ADN se separan en geles de agarosa para obtener perfiles electroforéticos, que variaran según el polimorfismo presente en el genoma de los distintos genotipos o individuos, proporcionando así una huella dactilar característica (figura 77.) las ventajas de esta técnica son: Figura 77a.Amplificación de DNA
La mezcla de reacción contiene la secuencia de DNA que se quiere amplificar, dos oligonucleótidos sintéticos (P1 y P2) que servirán como cebadores, una DNA polimerasa termoestable (Taq) y los cuatro desoxirribonucleótidos trifosfato –dATP, dGTP, dCTP y dTTP–.
239
• • • • •
la rapidez en la obtención de los resultados, no es necesario conocer la secuencia genética del ADN que se va a amplificar, no requiere de sondas específicas para especies ni el uso de material radiactivo, requiere poca cantidad de ADN , el cual no necesita ser de alta pureza relativamente bajo costo en comparación con otros tipos de marcadores.
Figura 77.b. Amplificación DNA
a) Durante la desnaturalización, que se realiza por calentamiento de la mezcla a 95ºC, se separan las dos cadenas del ADN molde. b y c) Durante la hibridación, la temperatura de incubación se reduce para permitir el apareamiento de las bases de ambos cebadores en el sitio donde encuentran una secuencia complementaria. d)Durante la fase de elongación, la mezcla se calienta a 72ºC y la enzima Taq ADN polimerasa se usa para replicar las hebras de DNA. La Taq polimerasa comienza el proceso de extensión de la cadena complementaria a partir del extremo 3’ de los cebadores. Al finalizar cada ciclo, la cantidad de ADN molde disponible para el ciclo siguiente aumenta al doble . Figura 78. Electroforesis.
240
44.3.4 AFLP (Polimorfismo de la longitud de los fragmentos amplificados) Combina el uso de enzimas de restricción y oligonucleótidos para PCR, de manera que se obtienen marcadores moleculares muy específicos sin necesidad de conocer la secuencia con anterioridad. Esta metodología permite exploración rápida del polimorfismo del genoma entero, son altamente reproducibles y permite crear mapas genéticos de forma rápida. Las desventajas es que son marcadores dominantes, la técnica posee muchos pasos, la lectura en los geles es laboriosa y se requiere buenas bases estadísticas para el análisis de los datos
44.3.5 Microsatelites o SSR (Repetición de secuencias discretas) Son regiones presentes en las largas cadenas de DNA formadas por secuencias pequeñas repetitivas (2 a 4 pb), por efecto de recombinación estas regiones pueden expandirse o contraerse generando un polimorfismo útil que permite evaluar similitudes entre especies o variedades muy relacionadas. Mediante la técnica de PCR es posible amplificar las regiones repetitivas se clonan para usarlas en el análisis de poblaciones, presenta gran ventaja en el mapeo de características cuantitativas (QTLs) Varios cientos de marcadores son ya conocidos y utilizables. Gracias a potentes métodos estadísticos, se pueden elegir entre los marcadores a aquellos próximos a las regiones cromosómicas que permitan la manifestación de caracteres agronómicos de interés dentro de las especies de interés. Con la incorporación de la selección asistida por marcadores dentro del mejoramiento tradicional es posible dar solución a las demandas específicas de calidad industrial o a los problemas de susceptibilidad a ciertos patógenos en líneas avanzadas de mejoramiento que de otro modo serían eliminadas del programa. En Colombia varias instituciones de investigación trabajan con marcadores moleculares en el mejoramiento de plantas, como es el caso de Unidad de Biotecnología y el Programa de Fríjol del Centro Internacional de Agricultura Tropical (CIAT), que desde 1987 han trabajado conjuntamente en la aplicación de técnicas de la biotecnología como apoyo al mejoramiento genético del cultivo, y desde 1994 se trabaja en el área de la diversidad genética y clasificación a través de marcadores moleculares para evaluar las colecciones centrales del CIAT y para conocer la verdadera extensión de su diversidad a nivel de genoma y en términos de característica deseables. 241
Estos trabajos se apoyan en los marcadores moleculares como herramientas de laboratorio, utilizadas para acelerar y facilitar la selección de genotipos superiores en un programa de mejoramiento genético varietal. Si un marcador molecular cumple con las condiciones de ser heredable, polimorfico y estable, se convierte en un instrumento muy valioso para los fitomejoradores. A continuación se presenta un ejemplo de procedimiento de mejoramiento asistido con marcadores moleculares desarrollados por el CIAT para incorporar resistencia al virus BGYMV en fríjoles rojos pequeños Figura 79. Selección Asistida por Marcadores Moleculares para Resistencia al BGYMV en Fríjoles Rojos Pequeños
Fuente. Quintero, C. Et al http://www.redbio.org/rdominicana/redbio2004rd/Memoria_REDBIO_2004/Talleres-PDF/t04-PDF/t0406.pdf
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Figura 80. Generación de nuevas cruzas
La siguiente figura es una electroforesis en la que se confirmación de la presencia del gen en progenies y avance de generación. Figura 81. Electroforesis de confirmación de la presencia del gen de resistencia al BGYMV
Con la realización de este trabajo los investigadores del CIAT llegaron a las siguientes conclusiones • La selección asistida con marcadores es un sistema eficiente de selección de resistencia al BGYMV mediante SCARs, integrado al programa de mejoramiento de fríjol mesoamericano del CIAT. • Se logra reducción en esfuerzo de cruzamiento y área sembrada aproximadamente de 57%. • De 1999 a 2003 aproximadamente 40 mil plantas (35 mil F1 y 5 mil progenies) • Es posible realizar selección simultánea por dos loci para resistencia al BGYMV (multiplex). • Se ha logrado distribuir a programas nacionales familias de fríjol rojas y negras de tipo comercial, combinando resistencia múltiple 243
45 Lección 45. Construcción de plantas transgénicas La ingeniería genética o biotecnología es la ciencia que ha permitido modificar la información genética de una variedad de cultivo o de una especie. Las plantas así obtenidas, se denominan transgénicas u organismos genéticamente modificados OGM.. La planta transgénica así creada contiene uno o más genes que han sido insertados en forma artificial en lugar de que la planta los adquiera mediante la polinización. La secuencia génica insertada (llamada el transgen) puede provenir de otra planta no emparentada o de una especie completamente diferente: por ejemplo, el maíz Bt, que produce su propio insecticida, contiene un gen de una bacteria. Esta tecnología de los OMG que nació en la década de 1970 ha permitido a los fitomejoradores avances notorios al generar variedades de cultivos más útiles y productivas que contienen combinaciones nuevas de genes, y además ampliar las posibilidades más allá de las limitaciones impuestas por la polinización cruzada y las técnicas de selección tradicionales. Desde entonces hasta la fecha, muchos millones de hectáreas han sido sembradas anualmente con cultivos transgénicos comerciales, como soya, algodón, tabaco, papa (patata) y maíz, en varios países entre los que figuran Estados Unidos, Canadá, China y Argentina. Sin embargo, se ha debatido intensamente en torno a los beneficios y riesgos potenciales que podrían derivarse del uso de tales cultivos. Como hemos visto a lo largo de todo este modulo, el trabajo del fitomejorador se fundamenta en tratar de reunir a través de procedimientos de campo, en la mayoría de los casos largos y costosos, una combinación de genes en una planta de cultivo que la hagan mas productiva y de mejor calidad como sea posible, todo esto dentro de especies cercanas o estrechamente emparentadas. La tecnología transgénica permite a los fitomejoradores reunir en una sola planta genes útiles de una amplia gama de fuentes, no sólo de la misma especie de cultivo o de plantas muy emparentadas, sino que permite copiar genes de otros organismos muy diferentes, en otras palabras de cualquier ser vivo. La forma como se logra estas plantas lo trataremos en seguida.
45.1. Cómo se crea una Planta Transgénica? El ADN (ácido desoxirribonucléico) de diferentes organismos es esencialmente el mismo, un simple grupo de instrucciones que hacen que las células produzcan las proteínas que son la base de la vida. Tanto si el ADN se encuentra en un microorganismo, una planta, un animal o un ser humano, siempre está formado por los mismos elementos. A través de los 244
años, investigadores científicos han descubierto cómo transferir una porción específica de ADN de un organismo a otro. El primer paso para transferir ADN es "cortar" o tomar un segmento de un gen de una cadena de ADN utilizando "cortadores moleculares" (unas enzimas especiales) para cortar en un lugar específico de la cadena de ADN. Paso seguido, estas mismas enzimas se utilizan para abrir un espacio en el plásmido ( fragmento de ADN circular y extracromosómico que suele contener información no vital para la bacteria) que se va a utilizar como vector para introducir el gen de interés en la célula vegetal. Debido a que los extremos cortados, tanto en el plásmido como en el segmento de gen, son químicamente compatibles, se adhieren el uno al otro formando un nuevo plásmido que contiene el nuevo gen. Para completar el proceso, los investigadores utilizan otra enzima para "pegar" o asegurar que el nuevo gen quede fijado en su lugar. Las plantas pueden ser modificadas genéticamente utilizando tres métodos: •
El primero y más antiguo es la utilización de Agrobacterium tumefaciens, esta bacteria fitopatógena presente en el suelo, tiene la capacidad de transferir ADN de sus plásmidos a las células vegetales. El gen o genes transferidos se integra en el genoma de la planta provocándole un tumor o agalla; el proceso culmina con la regeneración de tejidos creando plantas completas. Se aplicó con éxito por primera vez en 1984 en el tabaco y el girasol. Las gramíneas y en general todas las monocotiledóneas presentan gran resistencia a Agrobacterium por lo cual este método es bastante inviable en un extenso grupo de plantas de gran importancia económica.
•
El segundo método es la utilización de protoplastos, que son células vegetales a las que se les ha liberado de la pared celular. De esta manera queda eliminada la barrera principal para la introducción de genes foráneos. Mediante esta técnica se consiguió por primera vez cereales transgénicos en 1988.
•
El tercer0, es el método del microcañón o cañón de partículas inventado en el año 1987, que consiste en bombardear tejidos de la planta con micropartículas metálicas cubiertas del fragmento de ADN que interesa se integre en el ADN de la planta. Es el procedimiento que más éxitos ha conseguido y el que promete más avances, nace por la incapacidad de Agrobacteruim para infectar a las plantas monocotiledoneas. Para ello se utilizan microproyectiles de oro o tungsteno (inertes químicamente) disparados a velocidad supersónica, que atraviesan la membrana sin causar daños. a
la célula.
El descubrimiento de un plásmido en cepas de Agrobacterium tumefasciens fue anunciado por primera vez por Schell (1973) quien lo denomino el 245
plásmido llamado Ti (del inglés Tumour inducing) y el cual es portador del carácter patógeno. Más adelante se observó que todas las células de las agallas eran portadoras de un fragmento del plásmido Ti que se denominó ADN-T (ADN transferido). Se demostró después que el plásmido tenía varias funciones: la función de virulencia (Vir), responsable de la transferencia del ADN-T, la oncógena (Onc), responsable del tumor (consecuencia de la síntesis de auxina y citoquinina), la función que especifica la síntesis de opinas (Ops), moléculas que sirven de alimento a la propia bacteria, y la función catabólica (Opc, opina catabolismo). En realidad se encontraron varios segmentos Opc1, Opc2, que permiten la degradación de las opinas producidas por el tumor. Se distinguen dos tipos de funciones: las funciones situadas fuera del segmento ADN-T (Vir, Opc1,Opc2) que se expresan en la bacteria y las funciones controladas por el segmento ADN-T (Onc, Ops) que se expresan en la célula vegetal después de la transferencia de este segmento (ver figura # ) Figura 82. Plásmido Ti de Agrobacterium tumefaciens
Fuente. J. F. Carrasco http://www2.udec.cl/~jhuenuma/udec/plantas.htm
En resumen la bacteria no es patógena per se porque no segrega ninguna toxina que disuelva las paredes celulares como hacen otras bacterias patógenas. Sus efectos se deben a la transferencia de un segmento de ADN, el ADN-T, cuya expresión en las células vegetales es la causa de la enfermedad. La supresión en el plásmido del segmento transferido hace que la bacteria sea inofensiva sin que ello se la prive de la capacidad de transferir ADN a una célula vegetal. Por tanto se puede plantear su sustitución por un fragmento de ADN extraño. El sueño de obtener plantas resistentes a los insectos fitófagos se hizo realidad gracias a M.D. Chilton que en 1983, quien obtuvo las primeras plantas transgénicas de tabaco utilizando Agrobacterium tumefaciens las cuales eran portadoras de un gen que codifica para una proteína bioinsecticida que denominó cry (del inglés crystal). El gen había sido aislado 246
por primera vez por E. Schnepf y H. Whiteley en 1981, de Bacillus thruringiensis una bacteria grampositiva del suelo que produce unos cristales de proteínas con propiedades insecticidas al provocar la lisis de las células intestinales de las larvas de insectos. A estos experimentos le siguieron otros en diversos laboratorios de Europa y América con el tomate y la patata que sirvieron para demostrar que la expresión de proteínas insecticidas en plantas era posible y proporcionaba un método eficaz de lucha contra los insectos (ver figura #). Figura 83.Obtención de plantas transgénicas resistentes a los insectos mediante Agrobacterium tumefaciens.
Todas estas investigaciones culminaron en 1996 con la entrada en el mercado de plantas transgénicas (algodón, patata y maíz) resistentes a insectos. A todas estas plantas transformadas se las denomina Plantas Bt (de Bacillus thuringiensis). En 1997 el 25% de los cultivos transgénicos comercializados portaban genes cry. El problema de la aparición de insectos resistentes a estas plantas se prevé solucionarlo con la implantación de distintas proteínas insecticidas en una misma planta transgénica o en plantas transgénicas plantadas en años alternativos. Para el año 2000, se reportó el primer esfuerzo de secuenciación del genoma del arroz (Oryza sativa). La compañía Monsanto produjo un primer ‘borrador’ del genoma usando el cultivar ‘Nipponbare’, una variedad japónica usada ampliamente por el Instituto Internacional de Investigaciones en Arroz (IRRI, Filipinas), como apoyo a sus programas de investigación en materia genómica y mejoramiento de plantas. Además de ser uno de los cultivos alimenticios más importantes del mundo, el arroz es el modelo genético para los cereales. Existe una relación de sintenia entre el arroz y otras especies 247
gramíneas, incluyendo maíz, trigo, cebada, sorgo, y otros (sintenia = conservación del orden génico, o sea, la posición de los genes en el genoma). Por tanto, al acumular información detallada acerca del genoma del arroz, se avanza simultáneamente en los esfuerzos globales para mejorar otros cultivos. En la actualidad a través de una iniciativa internacional se han construido mapas moleculares detallados que incluyen miles de marcadores moleculares, bases de ESTs y librerías genómicas de arroz. El trabajo conjunto del IRRI y la Universidad de Cornell, produjo un mapa de cromosomas de esta gramínea donde se ubican marcadores moleculares que determinan las características útiles de la planta con respecto a la tolerancia de la sequía, resistencia a plagas y enfermedades, entre los cuales resalta la marcación de genes que controlan la resistencia al virus de la hoja blanca y al hongo Pyricularia. Otro ejemplo de la aplicación de la biotecnología al mejoramiento de los cultivos son las investigaciones que se han realizado para incorporar la provitamina A al arroz dorado o ‘golden rice’ (Potrykus, 2001; Hoa et al., 2003). En teoría, la alimentación con estas variedades de arroz permite reducir el riesgo de ceguera en grandes grupos de población del mundo que se alimentan a base de este cereal. Recientemente, se obtuvieron en Tailandia dos variedades de arroz enriquecidas en hierro que pueden desarrollarse y utilizarse en la lucha contra la anemia en la población de bajos recursos. http://www.eufic.org/de/tech/database/rice.htm . También están siendo cultivadas plantas modificadas genéticamente de soya, maíz y algodón con resistencia al herbicida glifosato que contiene un nuevo gen que determina la enzima EPSPS (relacionada con el metabolismo de los aminoácidos aromáticos). Los grandes progresos alcanzados por la biotecnología, esta polarizando el mundo, hay quienes solo hablan de los beneficios reales y potenciales de los Organismos Genéticamente Modificados OMG, omitiendo sus limitaciones y eventuales riesgos. En el otro extremo se enfatizan éstos, omitiendo las contribuciones que pueden hacer los OMG al desarrollo científico, técnico y económico. La FAO insiste en que la biotecnología debería complementar y no reemplazar, a las tecnologías agrícolas tradicionales. La biotecnología puede acelerar los programas convencionales de mejoramiento y dar soluciones cuando los métodos convencionales fallan. A continuación presentamos lo que se consideran los beneficios y los perjuicios de las plantas transgénicas.
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45.2 Beneficios de las plantas transgénicas. Entre sus potenciales beneficios de las plantas transgénicas están; la obtención de materiales de siembra libres de enfermedades, el desarrollo de cultivos resistentes a las plagas y enfermedades, y la reducción del empleo de substancias químicas nocivas para la salud y el medio ambiente. La segunda generación de plantas transgénicas que ya está llegando, trae consigo beneficios para el consumidor como: alimentos más sanos y nutritivos, plantas que producen en gran cantidad enzimas de uso técnico, ácidos grasos inusuales (para alimentación, lubricantes, etc.), edulcorantes naturales, fibras vegetales con nuevas propiedades, productos farmacéuticos, etc. En el campo farmacéutico en particular, pueden producirse tanto productos de tipo proteico (antígenos para ser aislados o utilizados in planta como vacunas orales, citoquinas) como sustancias orgánicas más simples de alta actividad biológica (hormonas, vitaminas, etc.). Las sustancias pueden ser producidas en diferentes compartimentos celulares, el espacio intercelular, o secretadas a un medio hidropónico (rhizosecreción). Además, puede facilitar herramientas de diagnóstico y vacunas para controlar enfermedades animales devastadoras.
45.3 Desventajas de las plantas transgénicas. Desde el punto de vista ecológico • Se considera que las plantas transgénicas resistentes a herbicidas, incrementarán notablemente el uso de éstos con los posibles efectos secundarios negativos de contaminación del suelo y del agua. • Por otro lado, en especies alógamas (de fecundación cruzada) existe la posibilidad de que una parcela sembrada con plantas transgénicas contamine con su polen a otras parcelas vecinas no transgénicas del mismo cultivo. Por ejemplo, si el polen de un campo de maíz transgénico poliniza plantas normales de una parcela próxima, la semilla que se produzca en esta parcela puede haber incorporado el gen Bt transmitido por el polen; es decir, sería transgénica. También podría ocurrir que la resistencia al herbicida de una variedad transgénica se transfiriera por fecundación interespecífica espontánea a una especie silvestre afín. De hecho, es importante señalar que ya se ha descrito un primer caso de transferencia de un gen que da resistencia a un insecticida en plantas transgénicas de colza a plantas de rábano que se habían cultivado en su proximidad, poniendo de manifiesto que se ha hecho realidad una posibilidad teórica. • Reducción de la diversidad genética natural como consecuencia de altos niveles de uniformidad, debido a la multiplicación en masa o al flujo y 249
reproducción de rasgos genéticos que confieran ventajas agronómicas a algunas plantas, creación de nuevas malezas, daño a especies no objetivo, rompimiento del equilibrio poblacional en comunidades bióticas y ecosistemas. • El uso extendido de plantas tolerantes al estrés traería en consecuencia un aumento considerable en la utilización de la tierra en lugares donde previamente la agricultura era imposible, de tal manera que quizás se destruyan ecosistemas naturales valiosos. Riesgos para la salud humana y/o animal •
Riesgos de toxicidad y de generación de reacciones alérgicas
•
Otros dos aspectos de las plantas transgénicas que han generado inquietudes son el empleo de genes de resistencia a antibióticos como “marcadores” de la transformación genética durante el desarrollo de este tipo de plantas, y la transferencia horizontal de genes. los genes de resistencia a antibióticos son ADN que se degrada durante el procesamiento de los alimentos y la digestión y no son antibióticos en sí mismos. Cabe, sin embargo, la posibilidad de que las proteínas producidas por estos genes (que hacen que el antibiótico no sea efectivo) se expresen en el órgano que se consume de la planta transgénica. Para que esto constituya un problema, dichas proteínas deberían absorberse en forma intacta a través del intestino, interactuar con el antibiótico suministrado para controlar una enfermedad dada, e inactivarlo.
Desde el punto de vista socioeconómico •
Los campesinos pobres son excluidos de estas tecnologías, primero porque son costosas y segundo, porque las especies mejoradas no contemplan las especies cultivadas por ellos.
•
Bajo desarrollo tecnológico e investigativa de los países subdesarrollados que impiden adoptar y adaptar las innovaciones biotecnológicas, lo que asegura el monopolio de las grandes compañías multinacionales productoras de semillas las cuales especulan con los precios que les da la protección de las patentes.
•
La venta de semillas preparadas genéticamente para que su descendencia no sea fértil y así obligar al agricultor a comprar de nuevo semillas. (plantas termination)
250
45.4 Descubiertas plantas transgénicas naturales Según un estudio realizado por Universidad de Lund (Suecia) sobre los genes de diferentes plantas de festuca (Festuca ovina) se ha visto que el gen que codifica la enzima denominada PGIC se encuentra en diferente lugar en diferentes plantas, y algunas tienen genes extra, sugiriendo la existencia de "genes fugitivos". Existen diferencias insignificantes entre las enzimas PGIC de una planta de festuca a otra cuando solo tienen un gen PGIC, pero sorprendentemente la diferencia es muy alta (6%) cuando una de las plantas es de las que tiene el gen PGIC duplicado, lo que no tiene explicación si se tratara por una duplicación y traslocación dentro del mismo genoma, debiendo pensarse en una procedencia exterior del mismo. Se ha buscado e identificado el origen del gen extra como procedente del genero Poa, lo que equivale a poder denominar a estas plantas de festuca como transgénicas al tener insertado un gen de otra, con la que además no está especialmente emparentada. No se sabe como se ha podido producir esta inserción genética, aunque se supone que se habría realizado a través de un virus que habría infectado a ambas especies y que esta característica se habría extendido a través de generaciones por representar una mayor competitividad biológica. La poa y la festuca no se pueden cruzar entre sí de forma natural. El porcentaje que se ha detectado de plantas con esta característica es de un 10% en las poblaciones estudiadas. No es este el primer estudio que siguiere la existencia de de plantas transgénicas naturales. Hay trabajos publicados de la Universidad de Michigan que muestran que se puede producir transferencia de ADN mitocondrial a través de plantas parásitas, entre la planta huésped y parasitada y viceversa. Este hecho tiene su importancia ya que una de las causas más frecuentes de rechazo a los OMG es precisamente la alegación de un carácter "no natural". Curiosamente las variedades obtenidas por métodos totalmente artificiales distintos de la ingeniería genética, como por ejemplo la inducción artificial de mutaciones o de poliploidía (fresón, triticale, sandias sin pepitas…) son admitidas normalmente, incluso por la agricultura biológica (ecológica, orgánica) debido a que, a pesar de que su método de obtención genética es totalmente artificial, el mecanismo (mutación, poliploidia) existe en la naturaleza y se podría haber dado teóricamente de forma natural, aunque la probabilidad sea remota. A los OMG se les daba otro grado "más artificial" argumentando que el mecanismo de transgenia no existe en la naturaleza, algo que es desmentido por estos hallazgos. (Agrodigital) http://axxon.com.ar/not/158/c-1580199.htm 251
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