Download Cap 9 - Mi portal
Document related concepts
Transcript
Lucía Otón González Daniel Peña Jiménez Introducción Genes y enfermedad Variabilidad en los organismos Mecanismos de variabilidad Etapas de variación en los patógenos Genética de la virulencia en los patógenos y de la resistencia en las plantas hospedantes Producción de las variedades resistentes Información genética Ácido nucléico ARN ADN Plásmidos Células vegetales ADN Núcleo Mitocondrias Cloroplastos Segmento de ADN que codifica para una proteína o molécula de ARN ¿Qué es un gen? Procariotas Eucariotas E I E I E ¿Qué es un gen? No todos los genes se expresan en el mismo momento Según las necesidades de la célula Promotores, terminadores, condensación de la cromatina En general Patógenos específicos de cada planta Fusarium oxysporum lycopersici Venturia inaequalis Marchitez del tomate Roña del manzano Lo que permite el desarrollo de una cierta enfermedad Genes del patógeno que determinan la especificidad o la virulencia sobre el hospedante en particular. Hospedante Genes de susceptibilidad y especificidad Patógenos que atacan múltiples plantas Genes diversos Genes con amplio espectro Una planta puede ser susceptible por hasta 200 patógenos diferentes, lo normal es menos de 100 Las características de un organismo no son fijas, varían de un individuo a otro Reproducción sexual aumenta la variabilidad, los individuos serán diferentes entre sí y de sus progenitores Reproducción asexual disminuye la variabilidad Generales • Recombinación • Mutación Especializados Fusarium verticillioides Pseudomonas syringae Virus del mosaico del tabaco Ocurre durante la reproducción sexual en: Plantas Hongos Nematodos La mayoría de los organismos producen variabilidad mediante segregación y recombinación de genes durante la meiosis. En hongos estos gametos haploides se dividen mitóticamente para producir el micelio y las esporas. Es un cambio en el material genético de un organismo, dependiendo de donde se produzcan pueden ser: Somáticas Germinales Se transmiten hereditariamente NO HEREDABLE HEREDABLE Dependiendo de la magnitud del cambio: Genómicas: Varía el nº de cromosomas. Cromosómicas: Cambios en la secuencia de los genes. Deleciones Inserciones Translocaciones Génicas: Cambios de bases Sustitución de bases Adición Deleción Las mutaciones ocurren espontáneamente La mayoría son recesivas, no tienen por qué expresarse. Los patógenos por lo general tienen mucha descendencia, de modo que es más posible que ocurran mutaciones, generando individuos con distinto grado de virulencia El ADN extranuclear también muta. Este ADN controla algunas características de los organismos, estas mutaciones son más difíciles de detectar porque no siguen las leyes de la genética mendeliana. HERENCIA CITOPLASMÁTICA Este tipo de mutación puede darle al patógeno nuevas características: Tolerancia a sustancias tóxicas Uso de nuevas sustancias para crecer Modificación de su virulencia También los hospedantes pueden adquirir nuevas características Resistencia Ocurren en determinado tipo de organismos son: Procesos semejantes a la sexualidad en hongos Heterocariosis Parasexualismo Heteroploidía Formación de sectores Procesos semejantes a la sexualidad en bacterias Conjugación Transformación Transducción Recombinación genética en virus Como resultado de la anastomosis, las células de las hifas poseen núcleos genéticamente diferentes Es el proceso por el cual se producen recombinaciones genéticas dentro de los heterocariontes Los núcleos se fusionan y posteriormente se dividen. Se trata de células, tejidos u organismos completos con números cromosómicos que difieren del normal para esos organismos. Está asociado al ciclo celular La expresión es proporcional al número de cromosomas que haya. Afecta a la tasa de crecimiento, tamaño, producción de esporas, patogenicidad… Desarrollo de hongos morfológicamente distintos dentro de una misma colonia. También pueden diferir en patogenicidad Puede ser resultado de heteroploidía, aunque también de mutaciones, heterocariosis o parasexualismo. Transferencia de ADN entre dos bacterias compatibles que se ponen en contacto, mediada por la presencia de un plásmido conjugativo. Captura e incorporación de ADN libre. Transferencia de ADN mediada por un virus: Generalizada Especializada Cuando dos cepas del mismo virus infectan el mismo organismo se obtienen recombinantes, diferentes a las originales. La virulencia de un patógeno puede disminuir cuando se mantiene durante un largo periodo en el cultivo, o cuando pasan varias veces a través de diferentes hospedadores. Pérdida de virulencia Atenuación Esta virulencia puede volver a recuperarse, aunque en algunos casos es irreversible Selección de individuos menos virulentos/ avirulentos Sustituyen a los virulentos Dentro de las poblaciones de patógenos podemos encontrar diferentes: Variedades: Se trata de algunos individuos de una especie que atacan a una determinada especie de hospedante. Razas: Individuos de una especie patogénica que ataca a algunas variedades de planta hospedante, y a otras no. Variante: Individuos de una especia de patógeno que modifica su virulencia, pudiendo infectar a una nueva variedad de planta. Biotipo: Individuos idénticos producidos asexualmente por un variante. Proliferar Morir Hay plantas resistentes frente a ciertos patógenos porque pertenecen a grupos taxonómicos inmunes a ellos. RESISTENCIA DE PLANTAS NO HOSPEDANTES Porque tienen genes que proporcionan resistencia. RESISTENCIA VERDADERA Porque escapan o toleran la infección. RESISTENCIA APARENTE Existe variación en cuanto a la susceptibilidad de las variedades de cultivares frente a un patógeno. Mayor Menor También se encuentran diferencias en cuanto a la virulencia de los patógenos que infectan una planta. Es la resistencia que tiene aquel tipo de plantas que no es capaz de ser infectado por un patógeno, o para la cual ese patógeno no tiene ningún efecto. Esas plantas, por su parte, mostrarán sensibilidad para sus propios patógenos. Es aquella que está controlada por la presencia de uno o varios genes. El hospedante y patógeno son más o menos incompatibles entre sí. Dos tipos: Horizontal vertical Se encuentra bajo el control de muchos genes. RESISTENCIA POLIGÉNICA Puede verse afectada por las condiciones ambientales. NO evita la infección RETRASA LA PROPAGACIÓN DE LA ENFERMEDAD Controlada por uno o algunos genes RESISTENCIA OLIGOGÉNICA Controlan la etapa de interacción entre planta- patogeno EVITA EL ESTABLECIMIENTO DEL PATÓGENO Desarrolla respuestas de hipersensibilidad Este tipo de resistencia engloba otro tipo de resistencia también importante en plantas: RESISTENCIA CITOPLASMÁTICA La resistencia está bajo el control del material genético dispuesto en el citoplasma. Tizón foliar amarillo Tizón foliar sureño del maíz La presentan aquellas plantas que permanecen libres de las infecciones por sus propios patógenos. Esto puede ocurrir porque: La planta escape a la enfermedad. Tolere la enfermedad. Para que ocurra una infección tienen que darse a la vez los siguientes fenómenos: Huésped susceptible. Patógeno virulento. Ambiente favorable. No coincidencia = No enfermedad Hay cultivos que pueden dar buenas cosechas a pesar de estar infectados. Son susceptibles a la enfermedad, pero presentan una falta de receptores. Este tipo de plantas no son destruidas por los patógenos, y en algunas ocasiones pueden producir una mejora en la cosecha. Los patógenos son específicos para un tipo de planta, a la cual son capaces de causarle enfermedad. Especificidad depende Planta GENOTIPO Patógeno Especies cultivadas Mejoramiento genético Nuevas razas de patógenos Presión de selección La resistencia de una planta o la virulencia vienen determinadas por una serie de genes. Genes que determinan la resistencia oligogénica/susceptibilidad en la planta son complementarios a los que determinan la virulencia/avirulencia en el patógeno. Generalmente los genes de resistencia en el hospedante son dominantes (R) y los de susceptibilidad recesivos (r). En patógenos los genes Avr son los que confieren las características: (A) avirulencia, (a) patogenicidad. Virulencia Grado de patogenicidad. Determina la resistencia del hospedante Horizontal Vertical El concepto de gen por gen propone que: POR CADA GEN DE RESISTENCIA EN EL HOSPEDANTE, EXISTE UN GEN DE VIRULENCIA EN EL PATÓGENO En cuanto a las interacciones planta-patógeno pueden ser: Incompatibles Reacción hipersensible. Compatibles La enfermedad se establece. Tiene que ver con el reconocimiento entre los distintos genes correspondientes. El reconocimiento entre los genes Avr y R activa cascadas de señales y vías de transducción para la expresión de los genes de la defensa. Este reconocimiento puede ser tanto extracelular como intracelular. Los productos de R reconocen regiones de Avr e inician una respuesta. Los genes se encuentran regulados mediante represores y activadores, que reprimen o promueven su expresión. Una vez se produce la infección, las partículas patogénicas son reconocidas e inactivan el represor de los genes para la defensa. Entonces se transcribirá el operón dando lugar a sustancias tóxicas para el patógeno. P R P R Los patógenos pueden escapar a este tipo de respuesta: Neutralizando la sustancia que se forma. Cambiando o bloqueando el sitio de acción de la sustancia. Plantas contínuo contacto con otros organismos Algunos patógenos REGLA • Resistencia • Avirulencia EXCEPCIÓN • Susceptibilidad •Virulencia Normalmente permanecen sanas Mecanismos de defensa El ataque de patógenos es una situación desfavorable Activa DETENER AMINORAR CONTRARRESTAR Mecanismos de defensa Infección Estos mecanismos de defensa pueden ser: Constitutivos. Inducidos. FÍSICOS: Capas gruesas de cutícula Presencia de tricomas Deposición de ceras… QUÍMICOS: Acumulación de compuestos tóxicos NO INVOLUCRAN UNA RESPUESTA ACTIVA Como respuesta a la infección de un patógeno, son: Reacción hipersensible Muerte celular programada. Producción de fitoalexinas. Formación de barreras estructurales Físicas: lignina. Producción de proteínas para la resistencia. Variabilidad natural en las plantas Efectos del mejoramiento genético de las plantas sobre su variabilidad Mejoramiento genético de las plantas para obtener resistencia a las enfermedades Plantas de cultivo actuales Sección y reproducción de líneas vegetales Millones de años de evolución Su supervivencia en presencia de patógenos Signo de que portan muchos genes de resistencia a patógenos Comienzos de la agricultura La naturaleza y los patógenos Agricultores Selección de plantas silvestres de cada localidad Débiles Mejor producción • Pasos iniciales Aumento de variabilidad de las plantas de una localidad Se combinan genes que se encontraban muy lejanos Se combinan los mejores genes • Pasos subsecuentes Eliminan variabilidad En poco tiempo algunas variedades mejoradas reemplazan a la mayoría o a todo el resto de plantas de una extensa área Pueden ser adoptadas por otros países y reemplazar a las variedades locales Fáciles de obtener Estas variedades se usan mucho porque Estables y uniformes Todos quieren cultivarlas No sólo hay beneficios Peligros de la uniformidad Vulnerabilidad de grandes plantaciones a brotes repentinos de epifitias de graves consecuencias • Fuentes de genes de resistencia • Técnicas que se utilizan en el mejoramiento genético clásico para obtener resistencia a las enfermedades • Mejoramiento genético de las plantas para obtener resistencia al patógeno utilizando las técnicas del cultivo de tejidos y la ingeniería genética • Ventajas y problemas del mejoramiento genético para la obtención de resistencia vertical u horizontal • Vulnerabilidad de cultivos genéticamente uniformes a las epidemias en las plantas Mejoramiento genético Variedades con alta productividad y de buena calidad Prueba de resistencia a patógenos de la zona Susceptible Se guarda, se descarta o se distribuye Resistente Distribución para su producción -Otras variedades comerciales locales de o de otros lugares -Variedades antiguas abandonadas -Plantas emparentadas con el tipo silvestre -Mutaciones inducidas Genes en variedades que crecen en zonas de la enfermedad Para hacer plantas resistentes a una enfermedad ¡Proceso mucho más complicado! Mismos métodos que se utilizan para mejorar cualquier característica heredable Autopolinización Dependen del sistema de cruza Polinización cruzada 1) Solo puede ponerse en práctica cuando se ha inducido la enfermedad Organismo vivo y variable 2) La resistencia puede no ser estable y abatirse en ciertas condiciones Se han desarrollado sistemas: - Condiciones precisas de inoculación del patógeno - Monitoreo y control de las condiciones ambientales - Evaluación precisa de la incidencia de las enfermedades y severidad de la enfermedad 1) Selección masiva de semillas Plantas con resistencias más altas No hay control en polinización cruzada 2) Selección del pedigrí o de líneas puras Fácil con autopolinización 3) Selección recurrente o retrocruza Útil S R Fácil en polinización cruzada, tiempo 4) Uso de mutágenos como luz ultravioleta o sustancias químicas -Propagación de meristemos apicales -Cultivo de callos y de células vegetales individuales Cultivos de tejidos -Producción de plantas haploides -Aislamiento, cultivo, transformación, fusión y regeneración de protoplastos Ingeniería genética Detectar, aislar, modificar, transferir y expresar genes 1) Cultivo de tejidos de plantas resistentes a la enfermedad 2) Aislamiento de mutantes resistentes a la enfermedad a partir de cultivos de células vegetales Estas plantas muestran gran variabilidad VARIACIÓN SOMACLONAL Inútiles Útiles Phytophtora infestans Alternaria solani 20/800 5/500 3) Producción de dihaploides resistentes a partir de plantas haploides Colchicina 4) Aumento de la resistencia a enfermedades por la fusión de protoplastos 5) Transformación genética de células vegetales resistentes a enfermedades ¡Es posible introducir DNA en células o protoplastos! -Agrobacterium tumefaciens -Microinyección -Electroporación -Biolística Agrobacterium tumefaciens Microinyección de DNA Electroporación Biolística Las plantas que muestran resistencia vertical pueden ser totalmente resistentes a un patógeno Fácil de manejar en programa de mejoramiento genético Las plantas que muestran resistencia horizontal nunca es totalmente resistente o totalmente susceptible Confiere una resistencia permanente, no se pierde La resistencia no es para siempre, ya que los patógenos mutan La uniformidad genética no se desea, a veces es catastrófica por una epifitia Usar medios de control químico también Madriz K. 2002. Mecanismos de defensa en las interacciones planta-patógeno. Manejo integrado de plagas. 63: 22-32. De Wit, PJGM. 1997. Pathogen avirulance and plant resistance: a key role for recognition. Trends in plant science. 2: 452-458. Benítez A. 2005. Mejora clásica y mejora biotecnológica. Técnicas principales de biotecnología vegetal. Avances recientes en biotecnología vegetal e ingeniería genética de plantas. Cap 2 y 3: 9-52. Ed. reverté Serrano M, Piñol M.T. 1991. Cultivo de tejidos y células. Cap. 6: 65-76. Biología del Agrobacterium tumefaciens. Cap. 14: 163-176. Agrobacterium tumefaciens como vector de genes. Cap. 15: 177-186. Métodos de transformación directa. Cap. 19: 207214. Biotecnología begetal. Ed. Ciencias de la vida. Agrios G. N. 1996. Genética de las enfermedades de las plantas. Fitopatología. Cap 6:118-148. Ed. Noriega.