BASES GENÉTICAS DE LA RESISTENCIA A ENFERMEDADES

Report
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
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De Wit, PJGM. 1997. Pathogen avirulance and plant
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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
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