BASES GENÉTICAS DE LA RESISTENCIA A ENFERMEDADES POR LAS PLANTAS Lucía Otón González Daniel Peña Jiménez

ÍNDICE 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

INTRODUCCIÓN Información genética Ácido nucléico Células vegetales ADN ARN ADN Plásmidos Núcleo Mitocondrias Cloroplastos

Segmento de ADN que codifica para una proteína o molécula de ARN INTRODUCCIÓN ¿Qué es un gen? Segmento de ADN que codifica para una proteína o molécula de ARN Procariotas Eucariotas E I E I E

Promotores, terminadores, condensación de la cromatina INTRODUCCIÓN ¿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

Patógenos específicos de cada planta GENES Y ENFERMEDAD En general Patógenos específicos de cada planta Fusarium oxysporum lycopersici Venturia inaequalis Marchitez del tomate Roña del manzano

GENES Y ENFERMEDAD 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

GENES Y ENFERMEDAD 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

VARIABILIDAD EN LOS ORGANISMOS 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

MECANISMOS DE VARIABILIDAD Generales Especializados Recombinación Mutación Especializados, semejantes a la sexualidad en hongos, bacterias y recombinación en virus. Fusarium verticillioides Pseudomonas syringae Virus del mosaico del tabaco

RECOMBINACIÓN 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. Se juntan los cromosomas homólogos y se produce intercambio de material entre cromátidas… divisiones  resultado, 4 células haploides que difieren las unas de las otras.

RECOMBINACIÓN En hongos estos gametos haploides se dividen mitóticamente para producir el micelio y las esporas.

MUTACIÓN 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

MUTACIÓN 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

MUTACIÓN

MUTACIÓN 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

MUTACIÓN 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

MUTACIÓN 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

MECANISMOS ESPECIALIZADOS 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

HONGOS: HETEROCARIOSIS Como resultado de la anastomosis, las células de las hifas poseen núcleos genéticamente diferentes

HONGOS: PARASEXUALISMO Es el proceso por el cual se producen recombinaciones genéticas dentro de los heterocariontes Los núcleos se fusionan y posteriormente se dividen.

HONGOS: HETEROPLOIDÍA 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…

HONGOS: FORMACIÓN DE SECTORES 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.

BACTERIAS: CONJUGACIÓN Transferencia de ADN entre dos bacterias compatibles que se ponen en contacto, mediada por la presencia de un plásmido conjugativo.

BACTERIAS: TRANSFORMACIÓN Captura e incorporación de ADN libre.

BACTERIAS: TRANSDUCCIÓN Transferencia de ADN mediada por un virus: Generalizada Especializada

RECOMBINACIÓN EN VIRUS Cuando dos cepas del mismo virus infectan el mismo organismo se obtienen recombinantes, diferentes a las originales.

PÉRDIDA DE VIRULENCIA EN CULTIVO 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

ETAPAS DE VARIACIÓN EN LOS PATÓGENOS 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.

ETAPAS DE VARIACIÓN EN LOS PATÓGENOS 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

TIPOS DE RESISTENCIA DE LAS PLANTAS Hay plantas resistentes frente a ciertos patógenos porque pertenecen a grupos taxonómicos inmunes a ellos. Porque tienen genes que proporcionan resistencia. Porque escapan o toleran la infección. RESISTENCIA DE PLANTAS NO HOSPEDANTES RESISTENCIA VERDADERA RESISTENCIA APARENTE

TIPOS DE RESISTENCIA DE LAS PLANTAS Existe variación en cuanto a la susceptibilidad de las variedades de cultivares frente a un patógeno. También se encuentran diferencias en cuanto a la virulencia de los patógenos que infectan una planta. Mayor Menor

RESISTENCIA DE PLANTAS NO HOSPEDANTES 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.

RESISTENCIA VERDADERA 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

RESISTENCIA HORIZONTAL Se encuentra bajo el control de muchos genes. Puede verse afectada por las condiciones ambientales. NO evita la infección RESISTENCIA POLIGÉNICA RETRASA LA PROPAGACIÓN DE LA ENFERMEDAD

RESISTENCIA VERTICAL Controlada por uno o algunos genes Controlan la etapa de interacción entre planta-patogeno RESISTENCIA OLIGOGÉNICA EVITA EL ESTABLECIMIENTO DEL PATÓGENO Desarrolla respuestas de hipersensibilidad

Tizón foliar sureño del maíz RESISTENCIA VERTICAL Este tipo de resistencia engloba otro tipo de resistencia también importante en plantas: La resistencia está bajo el control del material genético dispuesto en el citoplasma. RESISTENCIA CITOPLASMÁTICA Tizón foliar amarillo Tizón foliar sureño del maíz

RESISTENCIA APARENTE 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.

ESCAPE A 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

TOLERANCIA DE LA 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.

ESPECIFICIDAD PLANTA-PATÓGENO Los patógenos son específicos para un tipo de planta, a la cual son capaces de causarle enfermedad. Especies cultivadas  Mejoramiento genético Planta Especificidad depende GENOTIPO Patógeno Nuevas razas de patógenos Presión de selección

RESISTENCIA DE LAS PLANTAS 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.

RESISTENCIA DE LAS PLANTAS 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.

Determina la resistencia del hospedante GEN POR GEN Virulencia  Grado de patogenicidad. El concepto de gen por gen propone que: Determina la resistencia del hospedante Horizontal Vertical POR CADA GEN DE RESISTENCIA EN EL HOSPEDANTE, EXISTE UN GEN DE VIRULENCIA EN EL PATÓGENO

GEN POR GEN 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.

MECANISMOS DE RECONOCIMIENTO 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.

MECANISMOS DE RECONOCIMIENTO

NATURALEZA DE LA RESISTENCIA 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.

NATURALEZA DE LA RESISTENCIA P R P R

NATURALEZA DE LA RESISTENCIA 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.

Normalmente permanecen sanas MECANISMOS DE DEFENSA Plantas contínuo contacto con otros organismos REGLA EXCEPCIÓN Normalmente permanecen sanas Algunos patógenos Mecanismos de defensa Resistencia Avirulencia Susceptibilidad Virulencia

MECANISMOS DE DEFENSA El ataque de patógenos es una situación desfavorable DETENER AMINORAR CONTRARRESTAR Estos mecanismos de defensa pueden ser: Constitutivos. Inducidos. Activa Mecanismos de defensa Infección

MECANISMOS CONSTITUTIVOS FÍSICOS: Capas gruesas de cutícula Presencia de tricomas Deposición de ceras… QUÍMICOS: Acumulación de compuestos tóxicos NO INVOLUCRAN UNA RESPUESTA ACTIVA

MECANISMOS INDUCIDOS 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.

PRODUCCIÓN DE VARIEDADES RESISTENTES 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

VARIABILIDAD NATURAL EN LAS PLANTAS Plantas de cultivo actuales Sección y reproducción de líneas vegetales Millones de años de evolución Signo de que portan muchos genes de resistencia a patógenos Su supervivencia en presencia de patógenos

VARIABILIDAD NATURAL EN LAS PLANTAS Comienzos de la agricultura Selección de plantas silvestres de cada localidad La naturaleza y los patógenos Débiles Mejor producción Agricultores

EFECTOS DEL MEJORAMIENTO GENÉTICO DE LAS PLANTAS SOBRE SU VARIABILIDAD Aumento de variabilidad de las plantas de una localidad Pasos iniciales Se combinan genes que se encontraban muy lejanos Se combinan los mejores genes Pasos subsecuentes Eliminan variabilidad

EFECTOS DEL MEJORAMIENTO GENÉTICO DE LAS PLANTAS SOBRE SU 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

EFECTOS DEL MEJORAMIENTO GENÉTICO DE LAS PLANTAS SOBRE SU VARIABILIDAD 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

MEJORAMIENTO GENÉTICO DE LAS PLANTAS PARA OBTENER RESISTENCIA A LAS ENFERMEDADES 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 DE LAS PLANTAS PARA OBTENER RESISTENCIA A LAS ENFERMEDADES Variedades con alta productividad y de buena calidad Mejoramiento genético Prueba de resistencia a patógenos de la zona Susceptible Resistente Se guarda, se descarta o se distribuye Distribución para su producción

FUENTE DE LOS GENES DE RESISTENCIA -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

TÉCNICAS QUE SE UTILIZAN EN EL MEJORAMIENTO GENÉTICO CLÁSICO PARA OBTENER RESISTENCIA A LAS ENFERMEDADES 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 TÉCNICAS QUE SE UTILIZAN EN EL MEJORAMIENTO GENÉTICO CLÁSICO PARA OBTENER RESISTENCIA A LAS ENFERMEDADES 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

Plantas con resistencias más altas TÉCNICAS QUE SE UTILIZAN EN EL MEJORAMIENTO GENÉTICO CLÁSICO PARA OBTENER RESISTENCIA A LAS ENFERMEDADES Selección masiva de semillas Selección del pedigrí o de líneas puras Plantas con resistencias más altas No hay control en polinización cruzada Fácil con autopolinización

Fácil en polinización cruzada, tiempo TÉCNICAS QUE SE UTILIZAN EN EL MEJORAMIENTO GENÉTICO CLÁSICO PARA OBTENER RESISTENCIA A LAS ENFERMEDADES 3) Selección recurrente o retrocruza Útil S R Fácil en polinización cruzada, tiempo

TÉCNICAS QUE SE UTILIZAN EN EL MEJORAMIENTO GENÉTICO CLÁSICO PARA OBTENER RESISTENCIA A LAS ENFERMEDADES 4) Uso de mutágenos como luz ultravioleta o sustancias químicas

Detectar, aislar, modificar, transferir y expresar genes MEJORAMIENTO GENÉTICO DE LAS PLANTAS PARA OBTENER RESISTENCIA AL PATÓGENO UTILIZANDO LAS TÉCNICAS DE CULTIVO DE TEJIDO Y LA INGENIERÍA GENÉTICA -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

MEJORAMIENTO GENÉTICO DE LAS PLANTAS PARA OBTENER RESISTENCIA AL PATÓGENO UTILIZANDO LAS TÉCNICAS DE CULTIVO DE TEJIDO Y LA INGENIERÍA GENÉTICA 1) Cultivo de tejidos de plantas resistentes a la enfermedad

MEJORAMIENTO GENÉTICO DE LAS PLANTAS PARA OBTENER RESISTENCIA AL PATÓGENO UTILIZANDO LAS TÉCNICAS DE CULTIVO DE TEJIDO Y LA INGENIERÍA GENÉTICA 2) Aislamiento de mutantes resistentes a la enfermedad a partir de cultivos de células vegetales No se conoce muy bien el mecanismo de la variación somaclonal,se piensa que son cambios genéticos y epigenéticos Estas plantas muestran gran variabilidad VARIACIÓN SOMACLONAL Inútiles Útiles

MEJORAMIENTO GENÉTICO DE LAS PLANTAS PARA OBTENER RESISTENCIA AL PATÓGENO UTILIZANDO LAS TÉCNICAS DE CULTIVO DE TEJIDO Y LA INGENIERÍA GENÉTICA Phytophtora infestans 20/800 No se conoce muy bien el mecanismo de la variación somaclonal,se piensa que son cambios genéticos y epigenéticos 5/500 Alternaria solani

MEJORAMIENTO GENÉTICO DE LAS PLANTAS PARA OBTENER RESISTENCIA AL PATÓGENO UTILIZANDO LAS TÉCNICAS DE CULTIVO DE TEJIDO Y LA INGENIERÍA GENÉTICA 3) Producción de dihaploides resistentes a partir de plantas haploides Colchicina

MEJORAMIENTO GENÉTICO DE LAS PLANTAS PARA OBTENER RESISTENCIA AL PATÓGENO UTILIZANDO LAS TÉCNICAS DE CULTIVO DE TEJIDO Y LA INGENIERÍA GENÉTICA 4) Aumento de la resistencia a enfermedades por la fusión de protoplastos

MEJORAMIENTO GENÉTICO DE LAS PLANTAS PARA OBTENER RESISTENCIA AL PATÓGENO UTILIZANDO LAS TÉCNICAS DE CULTIVO DE TEJIDO Y LA INGENIERÍA GENÉTICA 5) Transformación genética de células vegetales resistentes a enfermedades ¡Es posible introducir DNA en células o protoplastos! Agrobacterium tumefaciens Microinyección Electroporación Biolística

MEJORAMIENTO GENÉTICO DE LAS PLANTAS PARA OBTENER RESISTENCIA AL PATÓGENO UTILIZANDO LAS TÉCNICAS DE CULTIVO DE TEJIDO Y LA INGENIERÍA GENÉTICA Agrobacterium tumefaciens

MEJORAMIENTO GENÉTICO DE LAS PLANTAS PARA OBTENER RESISTENCIA AL PATÓGENO UTILIZANDO LAS TÉCNICAS DE CULTIVO DE TEJIDO Y LA INGENIERÍA GENÉTICA Microinyección de DNA

MEJORAMIENTO GENÉTICO DE LAS PLANTAS PARA OBTENER RESISTENCIA AL PATÓGENO UTILIZANDO LAS TÉCNICAS DE CULTIVO DE TEJIDO Y LA INGENIERÍA GENÉTICA Electroporación

MEJORAMIENTO GENÉTICO DE LAS PLANTAS PARA OBTENER RESISTENCIA AL PATÓGENO UTILIZANDO LAS TÉCNICAS DE CULTIVO DE TEJIDO Y LA INGENIERÍA GENÉTICA Biolística

VENTAJAS Y PROBLEMAS DEL MEJORAMIENTO GENÉTICO PARA LA OBTENCIÓN DE RESITENCIA VERTICAL U HORIZONTAL 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

VULNERABILIDAD DE CULTIVOS GENÉTICAMENTE UNIFORMES A LAS EPIDEMIAS EN LAS PLANTAS 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

BIBLIOGRAFÍA 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

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