Curso de Fitotecnia Pablo Speranza
Hibridación interespecífica y poliploidíay sus aplicaciones en el mejoramiento genético de las plantas
Ing. Agr. Pablo Speranza (MSc. PhD.)Profesor Agregado de Fitotecnia
Departamento de Biología VegetalFacultad de Agronomía, Universidad de la República.
Curso de Fitotecnia Pablo Speranza
Poliploidía e hibridación interespecífica
� Poliploidía� Definiciones� Autopoliploidía
� Consecuencias genéticas, citogenéticas y fenotípicas� Uso del aumento del nivel de ploidía en el
mejoramiento� Metodologías para aumentar el nivel de ploidía y
creación de cultivares autopoliploides� Metodologías para disminuir el nivel de ploidía y sus
aplicaciones en el mejoramiento
Curso de Fitotecnia Pablo Speranza
Poliploidía e hibridación interespecífica
� Alopoliploidía� Definición� Origen� Consecuencias genéticas y citogenéticas� Análisis genómico
� Hibridación intrespecífica� Objetivos� Metodologías
� Ejemplos de hibridación interespecífica y manipulación de alopoliploides
Curso de Fitotecnia Pablo Speranza
Triticum urartu: 2n = 14 (AA)Gametos: n = 7 (A)Triticum urartu: 2n = 2x = 14 (AA)Gametos: n = x = 7 (A)
Definiciones►Poliploide: más de 2 genomios
►2n: número cromosómico de las células somáticas
►n: número cromosómico de los gametos
►x: número de cromosomas de un genomio (número básico)
Triticum aestivum: 2n = 6x = 42 (AABBDD)Gametos: n = 3x = 21 (ABD)
AA
BB
DD
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Definiciones
►Alopoliploide: los distintos genomios no se aparean entre sí en meiosis.
(los genomios son homEÓlogos)
►Autopoliploide: los genomios se aparean entre sí (homÓlogos)
►Neopoliploides: Los que llamamos poliploides
►Paleopoliploides: Todas las angiospermas
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Tipos de poliploides: Autopoliploides
2n=2x=16 2n=4x=32A1A2
A1 A2 A3 A4
Ejemplos:
Papa Alfalfa Pasto azulBoniatoBanana
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Consecuencias genéticas de la autopoliploidía(herencia polisómica)
Herencia: disómica tetrasómicaPara 1 locus:Equilibrio: 1 generación Aproximación
sucesiva
Para 2 alelos:gametos: 2 (A, a) 3 (AA, Aa, aa)genotipos: 3 5 heterocigotos: 1 tipo 3 tipos
Aa Aaaa símplexAAaa dúplex AAAa tríplex
►Gran sensibilidad a la endocría
►Dificultades para eliminar alelos indeseados
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Consecuencias citogenéticas de la autopoliploidía
►Formación de multivalentes
►Segregación cromosómica irregular y reducción de la fertilidad (en autopoliploides pares artificiales y poliploides impares en general)
Meiosis en diploides Meiosis en un poliploide impar
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Consecuencias fenotípicas del aumento del nivel de ploidía
Las consecuencias fenotípicas son muy variablesEn general:
►Aumento del tamaño celular
►Ciclos de crecimiento más largos
►Aumento del tamaño de órganos
►Menor número de células
►Menor contenido de materia seca
►Menor fertilidad
4x 2x
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Usos de la poliploidización en el mejoramientoObjetivo: Nivel de ploidía óptimo►Aumento del rendimiento
►Aumento de la calidad nutritiva
►Aumento del tamaño de órganos
Mayor probabilidad de éxito si:
►Órgano cosechado no es semilla
►Nivel de ploidía de partida es bajo
►Alógamas (recombinación posterior)
►Ciclos de selección cortos
Ejemplos: raigrás y trébol rojo
Objetivo: Nivel de ploidía impar►Esterilidad (frutos sin semilla)
Ejemplos: banana (3x), sandía sin semillas (3x)
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Métodos de poliploidización
Fusión de protoplastos
Gametos no reducidos
Duplicación con colchicinaAplicación a tejidosmeristemáticos
2x
4x
Aislación de protoplastos
Desestabilizaciónde la membrana
Fusión y selección
Regeneración
+
2x2x
4x
Cruzamiento de parentalesproductores de gametos 2n Identificación de poliploides en la
progenie
X
2x 2x4x2x 2x
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Efectos de los distintos métodos de poliploidización sobre la heterocigosis
a1a2 a1 a2a1 a2
a1 a2 a3a4
+
a1 a2 a3 a4
Duplicación somática
Fusión de protoplastos y RPD
y RSD
M I Separación de homólogos
M II Separación de cromáticas hermanas
En la producción de gametos 2n puede no darse (restitución) la primera división meiótica (RPD) o la segunda (RSD)
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Creación de un nuevo cultivo autopoliploide
Germoplasma
►Poliploidización de germoplasma diverso
Recombinación y selección a nivel poliploide
► Dificultades específicas: herencia polisómica y reducción de la fertilidad
►Objetivos: valor agronómico y fertilidad
Mantenimiento
►Evitar contaminación con diploides
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Disminución del nivel de ploidía
Objetivos:
►Obtención de líneas puras (haploides duplicados)
►Mejoramiento analítico (simplificación de la herencia polisómica)
►Hibridación interespecífica (cruzamientos con niveles de ploidía menores)
Métodos:►Cruzamientos interespecíficos (genotipos o especies “inductoras”)
►Cultivo de anteras o polen
►Haploides naturales (partenogénesis)
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X
Cigoto 2n=14
Divisiones celulares sucesivas
Planta resultante n=7
Producción de haploides por cruzamientos interespecíficos
Ejemplos: Cultivo Especie inductora
Hordeum vulgare Hordeum bulbosum
Solanum tuberosum Solanum phureja
Disminución del nivel de ploidía
Mecanismo: Eliminación de los cromosomas de la especie inductora o inducción de partenogénesis haploide
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Disminución del nivel de ploidíaProducción de haploides por cultivo de anteras o polen
AB abAb aB
Duplicación inducida o espontánea
Cultivo de anteras o polen
Nuevas líneas puras
F1
F2
F7
F6
F5
F4
F3
AAbb aaBB
AaBb
P
AAbbaaBB
AABBaabb
Generaciones segregantes
Método convencional
X
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Tipos de poliploides: AlopoliploidesAlopoliploides: híbridos interespecíficosEspecies organizadas en “complejos poliploides”Ejemplos: Trigo, Avena, Algodón, Tabaco, Frutilla, Festuca
16 especiesCC
2n=2x=26Australia
2 especiesAA
2n=2x=26Africa y Asia
13 especiesDD
2n=2x=26Américas
5 especies
Modificado de Wendel et al. 1995
5-10 Ma AP
x
Alopoliploides del Nuevo Mundo(Pleistoceno)
AADD2n=2x=52
Relaciones filogenéticas entre algunas especies deGossypium
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Gupta et al. 2008
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Híbrido diploide
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
JJ
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
II
1
2
3
4
5
6
7
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9
10
1
2
3
4
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6
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1
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1
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10
Gametos desbalanceados: esterilidad
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Híbrido alopoliploide
1
2
3
4
5
6
7
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JJ
1
2
3
4
5
6
7
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II
1
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3
4
5
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10
IIJJ
1J
2J
3J
4J
5J
6J
7J
8J
9J
10J
1I
2I
3I
4I
5I
6I
7I
8I
9I
10I
1J
2J
3J
4J
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1I
2I
3I
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6I
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9I
10I
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Citogeografía
Río de la PlataO
céan
o Atlá
ntico
Urugu
ay
2x
3x
4x
5x
Distribución de citotipos de P. quadrifarium en Uruguay Magdalena Vaio, Pablo Speranza y Cristina Mazzella (sin publicar)
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Consecuencias genéticas y citogenéticas de la alopoliploidía
� Alopoliploides balanceados: anfidiploides� Meiosis regular� Herencia disómica� Híbrido permanente
A1 A2 A’3 A’4
A1 A1 A’3 A’3 A1 A1 A’4 A’4 A2 A2 A’3 A’3 A2 A2 A’4 A’4
Los loci homeólogos contienen alelos diferentes.
1
2
3
4
5
6
7
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Análisis genómico
►Determinación de las homologías entre los genomios de especies emparentadas: determinación de la fórmula genómica
►Genomios identificados con la misma letra se aparean:
Entrecruzamiento y segregación meiótica regular
Transferencia de genes
Fertilidad de los híbridos
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6 I
2 II + 2 I
D x A
D x B
Análisis genómico
2n=2x=4
2n=2x=4
2n=4x=8
2n=4x=8
X=2
A
B
C
D
Mitosis
2 II
2 II
2 IV
4 II
Meiosis
C x A 2 III
A x B
Mitosis
4 I
MeiosisA B
Genomios
C x 2 III
AAAA
BBCC
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Hibridación interespecífica
PG-1
Cultivo y otras subespecies silvestres y cultivadas
Todas las especies que pueden ser cruzadas con GP-1 con
algo de fertilidad en la Fpor lo
menos 1
PG-2PG-3
Los híbridos con GP-1 son
an
ómalos, letales o completamente estériles
L
La transferenc ia de genes no es posible o
requiere técnicas radicales
La transferencia de genes puede ser
difíc
i l
pero es posible
PG-2PG-3
Harlan y de Wet. 1971. (4):509-517Taxon20
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La estructura del acervo genético es diferente según las especies
Harlan y de Wet. 1971. (4):509-517Taxon20Las especies que forman parte de complejos híbridos tienden a tener acervos genéticos secundarios amplios
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Complejos híbridos
� Complejos homoploides y sexuales� Complejos homoploides y sexuales
� Complejos poliploides� Complejos poliploides
� Complejos agámicos� Complejos agámicos
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C. reticulatamandarinas
C. medicacidro
C. grandispummelo, shaddock, toronja
C. sinensisnaranja
(cultígeno)
C. aurantiumnaranja amarga
(cultígeno)
C. paradisipomelo
(cultígeno)C. limonLimones
C. aurantifoliaLima
C. sp.
Tangelos(artificiales)
Tangores(cultígenos y artificiales)
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Hibridación interespecífica
Las metodologías varían según el objetivo del cruzamiento
Objetivos
►Transferencia de genes específicos
►Síntesis de híbridos asexuales
►Nuevas “especies” híbridas
Metodología
►Retrocruza
►Propagación asexual de los híbridos
►Varias hibridaciones y mejoramiento de la “nueva especie”
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Hibridación interespecífica
Factores citoplasmáticos
►Manipulación del nivel de ploidía
MetodologíaProblema
Las especies no se cruzan
Desarrollo deficiente de los embriones híbridos
Esterilidad de la F 1 debida a :
Nivel de ploidía
Falta de homología cromosómica
Genotipo
►Cruzamientos puente, manipulación del nivel de ploidía, cruzamiento recíproco, genotipos de mayor “cruzabilidad”, fusión somática
►Rescate de embriones
►Duplicación cromosómica
►Uso de genotipos específicos
►Cambio de la dirección del cruzamiento
Deben superarse las barreras naturales que mantienen la identidad de las especies
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Aislación entre niveles de ploidía
2m : 1p
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Ejemplos: transferencia de genes entre niveles de ploidía
4x 2x 4xSolanum tuberosum Diploide silvestre Diploide silvestre duplicado
n=2x 2n=2x n=2x Gametos
Progenie 4x
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Ejemplos: creación de un nuevo alopoliploide
CentenoSecaleRR
Trigo tetraploideTriticumAABB
ABR
AABBRR
TriticalexTriticosecale
R ABgametos
rescate de embriones
Duplicación con colchicina
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Ejemplos: transferencia de genes
Transferencia de genes. T. aestivum (AABBDD)T. umbellulatum (UU)T. turgidum (AABB)
ColchicinaCruzamiento
Retrocruzascon T. aestivum
Radiación
Ejemplo: transferencia de resistencia a roya de la hoja
Gen de resistencia
puente
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Mejoramiento genético y premejoramientoVariedades
tradicionalesEspecies silvestres
emparentadasMutaciones naturales
o inducidas
Transferencia al germoplasma elite por cruzamientos
(Premejoramiento)
Mercado
Otros programas de mejoramiento
Cruzamientos
Recombinación
Selección
Nuevo cultivar
Evaluación de riesgo
Técnicas “convencionales”
Procedimientos específicos de los OGM
Integración al ADN de una célula de la
especie objetivo(Evento)
Regeneración de plantas
Rediseño a partir del mismo u otros
organismos
Otros organismos
gen de interés
Cultivo de células y tejidos
Ingeniería genética
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