Clase Teórico-Práctica N 6

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1 1 Clase Teórico-Práctica N 6 Tema: MUTACIONES CROMÓSOMICAS NÚMERICAS Objetivos: Identificar los distintos tipos de variaciones en el número de cromosomas y analizar las causas y consecuencias de estas variaciones. Bibliografía: KLUG, W. S. y CUMMINGS, M. R. Conceptos de Genética Introducción Como ya vimos, el conjunto mínimo de cromosomas de una especie con información genética para todas las características diferentes constituye el genoma (nuclear) y el número de cromosomas que lo forman se denomina número genómico o número básico y se representa con la letra X. Una célula, tejido u organismo diploide tendrá dos juegos idénticos de x cromosomas, o sea, dos genomas. Si esa célula, organismo, etc. tiene tres genomas, estaremos en presencia de un triploide; si cuatro, tetraploide; si cinco, pentaploide y así sucesivamente. En general los llamamos poliploides. Qué notación utilizamos? Para un haploide que posee sólo un genoma, será x. Para un diploide será 2x, y 3x, 4x, 5x, etc. para los poliploides. Si el número básico es por ejemplo 5, será x=5; 2x=10; 3x=15; 4x=20; etc. Las mutaciones cromosómicas numéricas originadas por la multiplicación de un único genoma, se llaman autopoliploides (auto= propio, mismo), para diferenciarlos de los alopoliploides que a continuación estudiaremos. Veamos que ocurre si cruzamos dos especies de angiospermas distintas, pero lo suficientemente emparentadas de manera tal que permita la fecundación y formación de cigota. Cada individuo de cada una de esas especies, aportará, a través de sus gametas, un juego distinto de x cromosomas cada uno. Estos juegos pueden ser de igual o distinto número. Por lo tanto, la cigota formada tendrá una constitución 2x o (x A +x B ). EJEMPLO Especie A X B Constitución cromosómica AA BB (Con A y B identificamos el genoma de cada especie ) Individuo 2n =2x A 2n = 2x B Gametas n=x A n= x B Híbrido AB 2n= 2x o (x A +x B ) (un genoma x de sp. A y un genoma x de la sp B) Este híbrido, cuando llegue a adulto, entrará en la fase de floración. Se produce la meiosis. En la profase se deberían aparear los cromosomas

2 2 homólogos. Como son especies distintas no hay homólogos, no hay apareamiento, la meiosis es anormal y no hay formación de gametas fértiles. Por lo tanto este híbrido es estéril, no deja descendencia y desaparece, a no ser que se propague asexualmente. En animales todos conocemos el ejemplo de la mula, cruzamiento de yegua y burro, en la que, por provenir de especies distintas, no hay homología en sus cromosomas y por lo tanto es estéril. Volviendo al ejemplo del vegetal, qué ocurre si en este individuo (por alguna causa que veremos más adelante) se produce una duplicación de sus cromosomas en la fase esporofítica del ciclo vital, antes de que entre en meiosis? Su constitución genética será 4x (2 genomas de la sp. A y 2 genomas de la sp. B, o sea AABB). Por lo tanto, cuando algunas de sus células entren en meiosis, habrá apareamiento de los homólogos (los 2x provenientes de la sp. A entre sí y los 2x provenientes de la sp. B entre sí). El proceso seguirá normalmente, produciendo el individuo gametas fértiles (cada gameta estará formada por un genoma x de la sp A y un genoma x de la sp B), lo que le permitirá reproducirse sexualmente. Especie AA X BB Constit. genet. 2n=2x A 2n= 2x B Gametas n= x A n= x B Híbrido AB (estéril) Constit. genet. 2n= 2x o (x A +x B ) Poliploidización Tetraploide AABB Híbrido alotetraploide (fértil) Constit. genet 2n= 4x o (2x A + 2x B ) Al cruzarse AABB X AABB Gametas n= 2x o (x A + x B ) 2n=2x o(x A +x B ) 2n= 4x o (2x A + 2 x B ) Vemos que este individuo es un tetraploide (4x) y como sus genomas provienen de especies distintas, reciben el nombre de alopoliploides (alo= otro). Estas variaciones en número de un genoma completo, ya sea de un único genoma (autopoliploide) o de genomas distintos (alopoliploide), se llaman euploides (eu= verdadero). En algunos casos en que el alopoliploide provenga de dos sp con distinto nº básico, por ej. un tetraploide formado por una sp A con x= 9 y una sp B con x=10, será 2n = 4x (2x A + 2x B )= 38; n A = 2x A = 18 y n B =2x B = 20

3 3 Debemos aclarar que nosotros usaremos esta notación, que es una de las más utilizadas en la actualidad, ya que algunos autores usan también 3n, 4n, 5n, etc. para los distintos niveles de ploidía. Aneuploidía Puede ocurrir que la variación, en lugar de ocurrir en el número completo de cromosomas, ocurra sólo en alguno o algunos de ellos. Tendremos así que un individuo 2n podrá tener 1, 2, 3, etc. cromosomas de más o de menos que su dotación normal. A estos individuos, tejidos, etc. se les llama aneuploides (aneu = falso). La nomenclatura será de acuerdo al número de cromosomas en exceso o en defecto. Así tendremos: nulisómicos, si faltan ambos cromosomas de un par; monosómicos, si falta un cromosoma; trisómico, un cromosoma de más; tetrasómico, 2 cromosomas de más; etc. La notación será respectivamente: 2n=2x-2; 2x-1; 2x+1; 2x+2; etc. Importancia de la poliploidía Euploidia La poliploidía ha jugado un papel significativo en la evolución de las plantas, más del 70% de las angiospermas son poliploides. Muchos cultivos de gran importancia para el hombre como el trigo, papa, caña de azúcar, batata, té, café, etc. son de origen poliploide La gran mayoría de los poliploides se han originado por cruzamientos interespecíficos (alopoliploides), para dar lugar a otras especies. En cambio los de origen autopoliploide son muy pocos. Actualmente se consideran como autopoliploides, entre las especies más importantes, a la papa cultivada (Solanum tuberosum) y la alfalfa (Medicago sativa). En animales se han encontrado muy pocas especies cuyo origen sea poliploide. En invertebrados en algunos insectos y crustáceos de reproducción partenogenética. En vertebrados, en ranas de Brasil y algunas especies de peces. En estudios recientes en el que analizan el genoma completo de las especies por secuenciación del ADN, se observó que los genomas de la mayoría de las especies animales y vegetales presentaban duplicaciones en la mayoría de los cromosomas. Estos resultados indicarían que estas especies sufrieron algún evento de duplicación de su genoma durante su historia evolutiva y se plantea que muchas especies diploides, incluidos los humanos, son en realidad Paleopoliploides. Características En el caso de los autopoliploides, los individuos son parecidos morfológicamente a los diploides que les dieron origen. Generalmente tienen

4 4 órganos más grandes, más suculentos (células más grandes). Los alopoliploides en cambio, en general tienen características de ambos padres. Algunas características morfológicas, citológicas y fisiológicas, nos permiten sospechar la presencia de un poliploide. Por ej. los autopoliploides en general presentan como ya dijimos órganos más grandes, células más grandes, entre ellas células estomáticas, fáciles de observar al microscopio, lo que permite un diagnóstico rápido. Pero debemos tener presente que la certeza en la identificación, la tendremos con el recuento cromosómico. Veamos ahora que ocurre en la división celular. En mitosis no hay ninguna dificultad. Pero, qué ocurre en meiosis? Analicemos primero un autopoliploide. Cuando se produce el apareamiento de los homólogos, por ej. si se trata de un autotetraploide, tendremos 4 homólogos que al aparearse formarán asociaciones más o menos complejas. Recordemos que los cromosomas homólogos comienzan a aparearse en cualquier sitio, por lo que se comienza a unir por ej. el cromosoma a con el a en un sitio y en otro sitio libre, el a con el a, y en otro sitio libre el a con el a, etc. Estas asociaciones podrán formar un cuadrivalente (si se aparean los cuatro), un trivalente y un univalente (si se aparean tres y el cuarto no tiene lugar para aparearse), dos bivalentes, un bivalente y dos univalentes, cuatro univalentes. Cuando se produzca la separación de los centrómeros, se dirigirán a los polos en forma desbalanceada. Si pensamos que esto ocurre en los x cromosomas, tendremos al final del proceso, gametas en su mayor parte totalmente desbalanceadas, lo que traerá como consecuencia la inviabilidad de las mismas. Quiere decir que de un autotetraploide podemos esperar baja fertilidad. Sin embargo, especies cultivadas como papa y alfalfa y autopoliploides artificiales con muchas generaciones de reproducción, presentan alta fertilidad. Esto es debido a un proceso que podríamos denominarlo alopoliploidización o diploidización del autopoliploide, en el cual podría ocurrir una cierta diferenciación estructural de los cromosomas, a través de generaciones, que permitiría una diferenciación de a pares de los mismos, lo que traería aparejado un comportamiento bastante normal de los cromosomas. Si consideramos un triploide, en éste también se produce infertilidad, con la diferencia que las asociaciones que podrán formarse serán: trivalentes, bivalentes y monovalentes (univalentes). Por supuesto no encontraremos aquí el proceso de diploidización que vimos en autotetraploides. Esto ha sido aprovechado por el hombre para cultivar bananas sin semilla (en su mayoría triploides, ya que las diploides tienen semillas duras del tamaño de una arveja), obtener sandías sin semillas, etc. Con respecto a los alopoliploides, como los homólogos están de a pares ya que provienen de genomas distintos, los apareamientos serán normales y el proceso meiótico seguirá hasta la producción de gametas fértiles. Estas configuraciones se pueden apreciar al microscopio, mediante

5 5 técnicas citológicas, sobre todo en la fase de diacinesis que es cuando los homólogos se separan por el centrómero quedando unidos por los quiasmas. Un cultivo muy importante como es el trigo, cuyo comportamiento es de un diploide normal, es de origen poliploide (natural). En la meiosis del mismo, los 42 cromosomas forman siempre 21 bivalentes. Cada uno tiene un sólo homólogo. Mediante el estudio de varias sp. silvestres relacionadas se ha podido reconstruir su probable historia evolutiva. Triticum monococcum x T. speltoides AA BB 2n= 2x A = 14 2n= 2x B = 14 n= x A = 7 n= x B = 7 AB (estéril) 2n = 2x o (x A + x B ) =14 (duplicación) T. dicoccoides AABB (fértil) x T. squarrosa DD 2n = 4x o (2x A + 2x B ) = 28 2n = 2x D = 14 n = x A + x B =14 n = x D =7 ABD (estéril) 2n = (x A + x B + x D ) =21 (duplicación) T. aestivum AABBDD (fértil) 2n = 6x o (2x A + 2x B + 2x D )= 42 (hexaploide) A veces no es posible reconstruir una genealogía, ya que algunas especies ancestrales pueden haber desaparecido. Cómo podemos determinar si una especie es antecesora de un poliploide? Tomemos el caso del trigo. Queremos saber si T. squarrosa ha intervenido en su formación. Para ello cruzamos: T. aestivum x T. squarrosa AABBDD DD 2n=6x o (2x A + 2x B + 2x D ) =42 2n=2x D =14 n=3x o (1x A +1x B +1x D ) =21 n=x D =7 Híbrido ABDD 2n= (7x A +7x B +14x D ) = 28

6 6 Sembramos las semillas obtenidas y cuando las plantas lleguen a floración observamos la meiosis. Si realmente T. squarrosa es antecesor, sus 7 cromosomas aparearán con 7 del trigo, formando 7 bivalentes (DD). Los 14 restantes no tienen con quién aparearse y permanecen monovalentes. Quiere decir que observaremos 21 cuerpos de cromosomas, 14 monovalentes y 7 bivalentes. Qué hubiera ocurrido si T. squarrosa no fuera antecesor? No habría habido apareamiento y por lo tanto hubiésemos observado 28 cuerpos (28 monovalentes). Otros poliploides naturales son, algodón, café, frutilla, algunos manzanos, caña de azúcar, etc. El hombre ha obtenido en forma artificial algunos alopoliploides. El primero fue Karpechenko en 1928, que cruzó Brassica con Raphanus con el objeto de lograr una planta que diera hojas de la primera y raíces de la segunda. Raphanus x Brassica 2n=2x R =18 2n=2x B =18 gametas n=x R =9 n=x B =9 híbrido estéril 2n= (x R + x B ) =18 duplicación 2n=4x o (2x R + 2x B )=36 nueva especie Raphanobrassica Lamentablemente esta nueva especie tiene raíz más semejante a Brassica y hojas parecidas a rábano. Otros poliploides obtenidos por el hombre son algunas remolachas azucareras que rinden más azúcar que las diploides; triticale, cruza de trigo con centeno, en que se ha buscado la rusticidad del centeno con la calidad del trigo, pero la harina no es de buena calidad. Sin embargo se la emplea mucho como forrajera. Triticun aestivum x Secale cereale AABBDD RR 2n=6x o (2x A + 2x B + 2x D ) =42 2n = 2x R = 14 n=3x o (1x A +1x B +1x D ) =21 n= x R = 7 ABDR híbrido interespecífico duplicación cromosómica AABBDDRR Triticale octoploide 2n=8x o (2x A + 2x B + 2x D + 2x R ) =56

7 7 En animales, artificialmente en truchas se utilizan triploides en forma comercial, como veremos más adelante. También se han obtenido salamandras poliploides, pero presentan grandes alteraciones fisiológicas que producen la muerte a corto plazo. Inducción de la poliploidía La poliploidía se puede originar de dos modos: 1) La duplicación del juego completo de cromosomas de una especie da lugar a la autopoliploidía, y 2) si por efecto de cruzamientos interespecíficos, se genera un híbrido y se duplica la dotación de cromosomas del híbrido, se origina un alopoliploide. Hay varios métodos para obtener poliploides: - Regeneración de tejidos. En la regeneración de tejidos a partir de callos producidos en una herida de la planta (rotura o poda), por procesos de endomitosis, se producen a veces células poliploides que pueden originar tejidos poliploides. También es común en cultivos "in vitro". -Choques térmicos. Ya sea por altas o bajas temperaturas. Por ej. en maíz aplicando calor (47-48 grados C.) después de la fecundación. -Sustancias químicas como la colchicina (rendimiento del 0.1 al 0.5 %) o N 2 O bajo presión de 5 a 8 atmósferas, con rendimientos de hasta 50%. -Gametas diploides. En muchas especies se producen fallas en la meiosis (no disyunción) que tienen como consecuencia la formación de gametas diploides (no reducidas). Los granos de polen con estas características son de mayor tamaño que los haploides por lo que es factible su separación por medio de tamices y usarlos en la fecundación. Se cree que la producción de poliploides naturales ha sido en, gran parte, a través del mecanismo de gametas no reducidas. vitro). - Por fusión de protoplastos y regenerando luego la planta (técnicas in Aneuploides Los aneuploides pueden formarse por la no disyunción de un par de cromosomas, en algunas células, durante la meiosis. Esto originará gametas n=x+1 y n=x-1 que al fecundar gametas normales por ej. darán cigotas 2n=2x+1 (trisómicos) o 2n=2x-1 (monosómicos). Distintas combinaciones de gametas nos darán toda una gama de aneuploides, ya sea para el mismo cromosoma o para distintos cromosomas. La falta de un par de cromosomas (nulisómicos), en diploides normales, supone una gran pérdida de información, por lo que las cigotas de esta condición no sobreviven (letal). En cambio puede ser tolerado en aquellas

8 8 especies de origen poliploide ya que la información perdida puede estar más o menos suplida por la existente en otros cromosomas (no olvidemos que provienen de sp. cercanas). Por ej. se conocen los 21 nulisómicos para el trigo (origen hexaploide) y el fenotipo de cada uno de ellos difiere al del trigo normal; además, la mayoría tiene un crecimiento menos vigoroso. Los otros tipos de aneuploides con cromosomas de más o de menos, producen perturbaciones en el equilibrio cromosómico lo que se traduce en anormalidades en los individuos portadores. En humanos, la no disyunción es bastante frecuente, sobre todo para el cromosoma 21 que provoca el Síndrome de Down, aunque este síndrome también puede ser causado por una translocación de un trozo de este cromosoma a otro. Entre los síndromes más comunes tenemos: Down: 2n=2x + 1 (cromosoma 21) Patau o grito de gato: 2n=2x + 1 (cromosoma 13) Edwards: 2n=2x + 1 (cromosoma 18) Turner: 2n=2x - 1 (cromosoma x) x0 (fenotipo mujer) Klinefelter: 2n=2x + 1 (xxy) (fenotipo hombre) 2n=2x + 2 (xxyy) (fenotipo hombre) Triple x: 2n=2x + 1 (cromosoma x) (fenotipo mujer) El comportamiento en la meiosis, para el par de cromosomas involucrado, será similar a lo visto para poliploides en general. Haploidía Un organismo haploide es aquel que posee un solo genoma básico. Como hemos visto, en vegetales la ausencia de cromosomas provoca alteraciones en los individuos. La falta de un genoma completo sería letal, ya que falta mucha información. No obstante, se han detectado en vegetales, en algunas segregaciones, individuos haploides, sobre todo en aquellos de origen poliploide, ya que tienen información repetida en caso de autopoliploides o repetida alguna información en caso de alopoliploides (recordemos que provienen de especies emparentadas). Por lo tanto, la carencia de información de los genes de un genoma se vería complementada por los genes del otro genoma. Qué utilidad puede tener un individuo haploide? Sabemos que su comportamiento meiótico será anormal, ya que no hay cromosomas homólogos, no hay apareamiento y el individuo será estéril. Además del interés científico como por ejemplo estudiar la acción de genes recesivos, etc., desde el punto de vista agronómico si bien son individuos muy débiles, sin interés para su uso directo, tienen importancia para la obtención de híbridos comerciales en plantas alógamas. Si a un haploide le duplicamos el número de cromosomas por alguno de los métodos vistos (colchicina, etc.), obtenemos un diploide pero que es totalmente homocigota. Éste será fértil, producirá

9 9 descendencia y podremos disponer de una línea pura. Como veremos más adelante, disponiendo de varias líneas puras (distintas genéticamente) y efectuando cruzamientos de dos en dos, obtenemos distintos híbridos que si poseen buenas características podemos utilizarlos como híbridos comerciales. Inducción de haploidía Un posible mecanismo de formación de semillas haploides puede ser por inducción de desarrollo de las mismas mediante un estímulo auxínico del grano de polen, pero sin que llegue a fecundar, por ejemplo utilizando polen estéril mediante irradiación, etc. Esta semilla colocada en condiciones apropiadas germinará y desarrollará un individuo haploide, que por supuesto será muy débil. Aunque en muy pequeña proporción, este fenómeno puede ocurrir naturalmente. Además, en una siembra en gran escala, estas plantas son difíciles de detectar porque mueren por no poder competir con las normales. La ventaja del uso de haploides para la obtención de líneas puras en alógamas, radica en el hecho que por el método tradicional son necesarias varias generaciones de autofecundaciones (7-8) para lograr un alto grado de homocigosis. Es por eso que se han desarrollado algunas técnicas para el logro de haploides. Actualmente se utiliza el cultivo in vitro de anteras y óvulos en medios especiales que favorecen la embriogénesis a partir de granos de polen inmaduros u óvulos sin fecundar. De esos embriones se desarrollan plántulas haploides a las que luego se les duplica el número de cromosomas. De esa manera en un año podemos tener plantas diploides totalmente homocigotas. Es importante destacar que no en todas las especies se ha conseguido la inducción de embriogésis por este método. Además dentro de una misma especie hay variabilidad al respecto, ya que está regulado genéticamente y no todos los genotipos responden de la misma manera. Finalmente diremos que para asegurarnos la presencia de un haploide, siempre debemos efectuar recuento de cromosomas, porque a veces puede inducirse embriogénesis en tejidos no haploides como pared de la antera, tejido conectivo, nucela, etc. Usos de la poliploidía -Mejoramiento Muchos cultivos de gran importancia para el hombre como trigo, papa, caña de azúcar, batata, té, café, etc. son de origen poliploide. Esto hizo que durante la década del 30, se dedicara mucho esfuerzo a la poliploidización inducida de otras especies. Sin embargo, si bien estos trabajos contribuyeron a dilucidar muchos aspectos en cuanto a la evolución de las plantas, no tuvieron el éxito esperado en aplicaciones prácticas inmediatas. Entre los usos actuales podemos mencionar:

10 10 -En peces como truchas, para fines comerciales, se obtienen individuos triploides, mediante la aplicación de choques térmicos en el momento de la fecundación. Estos individuos demoran más en llegar a la madurez sexual, lo que les permite un mayor crecimiento en carne y calidad. Por supuesto, son estériles. Este proceso generalmente va acompañado de otro que es la manipulación del sexo, de manera tal de lograr individuos hembras. -Obtención de sandías sin semilla. Se obtienen plantas tetraploides que luego son polinizadas por polen normal de diploide. La semilla obtenida es triploide. Las plantas derivadas estériles, por lo que en el cultivo hay que intercalar algunas diploides normales para que en el momento de la floración se produzca polen normal que estimulará el desarrollo del ovario en fruto, aunque no habrá formación de semillas. - Remolacha azucarera tri y tetraploide. Más rendidoras en peso y cantidad de azúcar. - En plantas ornamentales de flor, en los poliploides las flores son más grandes que las diploides como en narcisos, zinias, conejito (Anthirrinus), etc. - En cítricos se está trabajando en la obtención de triploides para obtener frutos sin semilla. -En la obtención de nuevas especies, ya ha sido mencionado antes pero recordemos que se busca combinar características de dos especies en una sola, por ej. el triticale. También puede usarse para hacer fértiles algunos cruzamientos interespecíficos de reproducción agámica y lograr variabilidad vía sexual. Actividades: 1. Analice las variaciones en el número de cromosomas en vegetales y animales. a. Indique los mecanismos que pueden originar un poliploide. b. Compare las consecuencias de dichas alteraciones. c. Cuál es la diferencia entre autopoliploides y alopoliploides? d. Mencione las especies vegetales de importancia económica que son poliploides. 2. Un organismo tiene 2n=2x=12 Cuántos cromosomas tendrá?: a. un monosómico? b. un trisómico? c. un tetrasómico? d. un nulisómico? e. un monoploide? f. un triploide? g. un autotetraploide?

11 11 3. Un especie diploide de 2n=2x=16 cromosomas hibrida con otra de 2n=2x=18 y el híbrido resultante duplica su número de cromosomas para producir un alotetraploide. a. Cuántos cromosomas tendrá? b. Cómo se comportarán en la meiosis? c. Cuántos cromosomas tendrán las gametas? 4. El algodón (Gossypium hirsutum) tiene 2n=4x=52 cromosomas. Las especies G. thurberi y G. herbaceum tienen 2n=2x=26. Los híbridos con las especies diploides tienen las siguientes configuraciones meióticas: G. hirsutum x G. thurberi 13 bivalentes pequeños + 13 univalentes largos G. hirsutum x G. herbaceum 13 bivalentes largos + 13 univalentes cortos G. thurberi x G. herbaceum 13 univalentes largos y 13 univalentes cortos a. Qué relación filogenética existe entre las especies? b. Escriba la formula genómica del poliploide?