Enfoque genético del concepto de especie Enfoque genético del concepto de especie Enfoque genético del concepto de especie Enfoque genético del concepto de especie en las papas silvestres. en las papas silvestres. en las papas silvestres. en las papas silvestres.

Consecuencias en la conservación de germoplasma Consecuencias en la conservación de germoplasma Consecuencias en la conservación de germoplasma Consecuencias en la conservación de germoplasma yyyy el mejoramiento genéticoel mejoramiento genéticoel mejoramiento genéticoel mejoramiento genético

Elsa L. Camadro

Laboratorio de Genética

Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria

Universidad Nacional de Mar del Plata

Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas

Argentina

�La clasificación de los organismos vivientes es:

� una preocupación del ser humano

desde el comienzo de la civilización

� una construcción humana y, por eso, artificial, precaria y provisoria

�Los sistemas de clasificación tienen consecuenciasdirectas en la elección de técnicas para:

� muestreo de poblaciones

� conservación ex situ e in situ de

variabilidad genética (frecuencias alélicas)

� mejoramiento genético

Premisas de la presentación

� En conocimiento de la biología reproductiva es

fundamental para comprender la variabilidad

morfológica y molecular de poblaciones

naturales y desarrollar/aplicar estrategias para

conservación y uso efectivo de genes con fines

aplicados.

Clasificación de plantas

� Los clásicos (a.C. y primeros siglos a.D.):

Consideraban que los seres vivientes eran inmutables (desde la eternidad y hasta el infinito)

Aristóteles : Primer intento de ordenamiento de plantas y animales

Discípulos: clasificación por valor farmacológico

� Renacimiento (s. XVI):

clasificación por valor farmacológico +

algunas características morfológicas

La Ilustración

John Ray

(1627-1705)

Primer concepto de “especie”:

Grupo de individuos que comparten ciertos caracteres

que se perpetúan en la progenie

“Clasificación natural” basada

en el mayor número posible de caracteres

Carl von Linneus(1707-1778)

Clasificación artificial

Sistema binario

Género, Especie, Familia, Clase, Reino

Antoine-Laurent de Jussieu(1748-1836)

Clasificación naturalbasado en:

�continuidad

�subordinación de caracteres

Erasmus Darwin(1731-1802)

Relación entre variabilidad y modo de

reproducción

Charles Darwin(1809-1882)

Describió y clasificó prácticamente todos los grupos

de plantas y animales

Teoría de la Selección Natural

Los individuos más aptos dejan mayor número de descendientes(hacen mayor contribución genética a las siguientes generaciones)

Se utilizan las clasificaciones de von Linneus y

de Jussieu

(se incluyen herramientas bioquímicas y/o moleculares)

Siglos XX y XXI

�La jerarquía de las unidades taxonómicas es pre-evolutiva

�La especie “linneana” se formó en el molde creacionista

�Desde el siglo XVIII no ha habido cambios fundamentalesen la jerarquía taxonómica

Grant (1989)

sin considerarse que:

Especie Biológica

Concepto de especie

de utilidad taxonómicabasado en relaciones reproduct¡vas y discontinuidad morfológica

(organismos biparentales)

La Especie Biológica puede coincidir (o no) con la Especie Taxonómica

Si no se distinguen los dos usos del término,la confusión se perpetúa

“Taxonomía de Museo”(Grant 1970)

(ej. especies “hermanas” en Gilia)

~2.000 especies herbáceas o arbustivas

Sección Petota (Tuberarium)

Subsección Potatoe (Hyperbasarthrum)

Género Solanum

~ 200 tuberosas silvestres y cultivadas

(Hawkes 1990)

Spooner y Hijmans 2001

Principios del siglo XX

Unidad taxonómica estrecha, con muy poca variabilidad fenotípica (Bitter, Juzepczuk, Bukasov)

Mediados del siglo XX

Profunda revisión de especies tuberosas por la gran plasticidad fenotípica (Hawkes 1963)

Fines del siglo XX y principios siglo XXI

Nuevas revisiones (Hawkes 1990; Spooner et al. 2009)

Concepto de especie en la subsección Hyperbasarthrum

Revisiones Taxonómicas de las papasRevisiones Taxonómicas de las papasRevisiones Taxonómicas de las papasRevisiones Taxonómicas de las papas(últimos 20 años)

Material de herbario y muestras de plantas vivasMaterial de herbario y muestras de plantas vivasMaterial de herbario y muestras de plantas vivasMaterial de herbario y muestras de plantas vivas

Hawkes (1990)

232 especies en 21 series taxonómicas232 especies en 21 series taxonómicas232 especies en 21 series taxonómicas232 especies en 21 series taxonómicas

Especies silvestres: 227 (en 1990), 203 (en 2001), 189 (en 2006)

Spooner et al. (2009)

“aproximadamente 110 especies en 3 clados”“aproximadamente 110 especies en 3 clados”“aproximadamente 110 especies en 3 clados”“aproximadamente 110 especies en 3 clados”

Basadas principalmente en:

. Holotipo de la especie (HAH6727), La Paz, Bolivia;

herbario de Kew, Gran Bretaña.

Solanum okadae Hawkes et Hjerting

Características de las papas silvestres y cultivadas

�Se reproducen en forma:

�Forman series poliploides

(2n=2x, 3x, 4x, 5x, 6x; x=12)

•sexual (semillas)

•asexual (tubérculos, estolones)

-continúa-

1er

Tercio

S1 S2

S1 S2

Compatible

�Poseen un locus S multialélico de AI gametofítica

�diploides alógamas obligadas

�poliploides alógamas; pueden autofecundarse

S1 S2

Auto-incompatible

-continúa-

-continúa-

S3 S3S2 S3

S1 S2 S3 S3

S4S7

�Presentan escasa diferenciación genómica

•Polen y/u oósferas 2n

Gametofitos o gametos con el número

cromosómico del esporofito

•Haploides

Esporofitos con el número cromosómico

del gametofito

-continúa-

Todas las especies tienen un genoma común (A); se diferencian en genomas homeólogos B, C, D, E

�Bajo control genético, pueden producir:

Camadro et al. 2004

�Desarrollo normal de endosperma depende de balance génico (2 F:1 M) en ese tejido(“Teoría del NBE”)

Las especies tuberosas de Solanumconstituirían

una gran especie biológica

�Hibridación y flujo génico dentro y entre niveles de ploidía

�Introgresión

Poliploidización y depoliploidización sexual

2x x 2x2x

2x x 4x4x

2x x 2x4x

4x x 2x4x

4x x 2x2x

4x x 4x6x

2x x 2x3x 4x x 4x

4x

Ugent 1966

Barreras a la hibridación interespecífica Barreras a la hibridación interespecífica Barreras a la hibridación interespecífica Barreras a la hibridación interespecífica e intergenérica en plantas superiorese intergenérica en plantas superiorese intergenérica en plantas superiorese intergenérica en plantas superiores

�espaciales

�temporales

�ecológicas

�mecánicas

Externas Internas

Bradley y Openshaw 1980

�pre-cigóticas

�post-cigóticas

Poblaciones naturales de papas silvestres en Tucumán, Argentina

Leales (300 m altitud) Tafí del Valle (2600 m altitud)

polinización

Situaciones estructuralesy fisiológicas

Fecundación

FormaciónSemillas viables

Gametofitos

Saco embrionario

Óvulo maduro

Polen germinando

Gametos

Gameto ♀

♂

Barreras internas

�la germinación del polen en estigma

�el crecimiento de los tubos polínicos en estilo

�la fusión de los gametos

Pre-cigóticas

�Prevención de la fecundación por anormalidades en:

Bradley y Openshaw 1980

-continúa-

Compatible Incompatible

Camadro y col.

� inviabilidad o debilidad del híbrido F1

� problemas en la floración del híbrido F1

� esterilidad del híbrido F1

� inviabilidad o debilidad de la F2 y

generaciones segregantes avanzadas

Barreras internas

Post-cigóticas

Bradley y Openshaw 1980

-continúa-

Camadro y col.

Androesterilidad e Irregularidades citológicasen colecciones descriptas como:

“Especies ¨

De “origen híbrido”

� S. ruiz-lealli

(Raimondi et al. 2000; Marfil et al. 2009)

�S. okadae

(Camadro et al. 2007; Bottini et al. 2008)

�S. chacoense

(Bottini et al. 2009; Larrosa et al. 2010)

“Puras”

Híbridos naturales y artificiales

polen

Polen fértil y estéril en híbridos espontáneos y artificialesy poblaciones con categoría específica

Larrosa et al. 2010

Larrosa et al. 2010

Estadio de tétrada en híbridos espontáneos y artificialesy poblaciones con categoría específica

Meiosis en híbridos espontáneos y artificiales y poblaciones con categoría específica

Larrosa et al. 2010

P MI MII AI

MII AI AII MII

AII AII TI TII

Introducciones de “especies”:

� S. kurtzianum de Catamarca, La Rioja y Mendoza

� simpátricas:

•S. chacoense (chc), •S. spegazzinii (spg)

Evaluación de caracteres morfólógicos (cuantitativos y cualitativos) y marcadores moleculares SSR

Las distancias genéticas entre introducciones simpátricas

clasificadas como distintas “especies” es menor que

entre introducciones distanciadas geográficamente

y clasificadas como la misma especie

�“fuera de grupo”•S. oplocense (opl) y S. maglia (mag)

Bedogni y Camadro 2009

Fenograma de introducciones de S. kurtzianum (ktz) S. chacoense (chc), S. spegazzinii (spg), S. maglia (mag) y S.

oplocense (opl)

Bedogni y Camadro 2009Marcadores Nucleares SSR

Taxonomía y Revisiones Taxonómicas de las PapasTaxonomía y Revisiones Taxonómicas de las PapasTaxonomía y Revisiones Taxonómicas de las PapasTaxonomía y Revisiones Taxonómicas de las Papas

Material de herbario y muestras de plantas vivasMaterial de herbario y muestras de plantas vivasMaterial de herbario y muestras de plantas vivasMaterial de herbario y muestras de plantas vivas

Hawkes (1990)

232 especies en 21 series taxonómicas232 especies en 21 series taxonómicas232 especies en 21 series taxonómicas232 especies en 21 series taxonómicas

Spooner et al. (2009)

“110 especies en 3 clados”“110 especies en 3 clados”“110 especies en 3 clados”“110 especies en 3 clados”

Basadas principalmente en:

Reducción de 40%

Los enfoques actuales de clasificación taxonómica

se basan en fenotipos morfológicos

(concepto de especie taxonómica)

Las herramientas moleculares se aplican a germoplasma

que ha sido previamente clasificado en base a morfología

Introducciones de papa

Muestras de poblaciones naturales conservadas ex situ

propósito

Conservar muestras de la variabilidad natural

de una especie con fines aplicados

Información de pasaporte :

Fecha de colección, localidad, coordenadas geográficas

No hay información (o es insuficiente)

�Número (No.) y distribución espacial de plantas muestreadas

en el sitio de colección

�No. de frutos o tubérculos cosechados/planta muestreada

�No. de plantas muestreadas/población

�Composición de la introducción para conservación

�Si se muestrean plántulas, distribución espacial

�Muestreo In situ

P1 P2 P3

x x x xx x x xx x x x

x xx xx

x x x x x xx x x x x xx x x x x xx x x x x x

Las introducciones de bancos de germoplasma,¿son muestras representativas de

la variabilidad genética natural en el sitio muestreado?

�Multiplicación ex situ de semillas o tubérculo

�Número (no.) efectivo de plantas parentales (Ne)

�No. de frutos/tubérculos cosechados por planta

�No. de semillas cosechadas/fruto

�Composición de la introducción para conservación

Si no hubiera habido contaminación indeseada por polen o semillas durante el proceso de multiplicación

¿Se ha evitado la deriva génica?

¿Se mantienen las frecuencias alélicas de:

(1) la introducción original?

(2) la población muestreada?

No hay información (o es insuficiente)

En poblaciones naturales puede haber

variabilidad morfológica y genética

�Reproducción sexual

� Alógama: cada planta es un genotipo diferente

� Autógama: puede haber plantas homocigotas para el mismo o para

diferentes genotipos

� Autógama con % de alogamia: puede haber híbridos F1 (heterocigotas)

y generaciones segregantes + plantas homocigotas para el mismo o

para diferentes genotipos

�Reproducción asexual: puede haber clones del mismo o de distintos genotipos

Sin embargo

�Las poblaciones pueden estar formadas por plantas provenientes de:

�semillas (biparentales)

�tubérculos o estolones (uniparentales)

�En un sitio puede haber superposición de:

generaciones bi- y uniparentales, y poblaciones simpátricas

�Si las barreras de aislamiento reproductivo son incompletas, puede haber:

hibridación e introgresión entre

niveles de ploidía y generaciones

Patrones muy complejos de variaciónmorfológica y molecular

Usualmente, las plantas fuera de tipo:

�No se muestrean en el sitio de colección

�Se descartan en el proceso de multiplicación ex situ

Cambios en frecuencias alélicas

En las introducciones de bancos de germoplasma generalmenteno se mantienen las frecuencias alélicas

de las poblaciones muestreadas

Pueden perderse genes de interés actual o futuro

No se facilita el trabajo del fitomejorador

Disminuye la relación costo/beneficio de la colección, conservación y uso de germoplasma silvestre

con fines aplicados

Conclusiones

El enfoque de clasificación de las papas silvestres en base afenotipos morfológicos (concepto taxonómico de especie)

da como resultado que:

Es necesario discutir multidisciplinariamente,

sobre bases objetivas

el concepto de especie en plantas en general

y en las de reproducción sexual y asexual en particular

(papa, batata, gramíneas forrajeras, ornamentales),

Debe obtenerse previamente información

sobre variabilidad morfológica, genética y molecular

de poblaciones naturales,

en estudios realizadas in situ, a lo largo de varios años

Muito obrigada

Para utilización efectiva de la variabilidad genéticaDe las papas silvestres

�Si es posible, tamizar varias introduccioens �(principalmente si la “especie” tiene ditribución geografica o ecológica amplia

�Considerar:

macro- y micro-ambientes de los sitios originales de muestreos

tipo de muestras originales (semilla botánica, plántulas, tubérculos)

�Tamizar 15-25 plantas/introd. en alógamas(una planta= un genotipo) y ≥10 plantas en autógamas(puede haber haber homocigosis parea diferenets combibaciones génicas)

�Usar diseños de cruzamientos dialélicos incompletos(siguiendo combinaciones genotipicas individuales. Las barreras a la hibridación

pueden ser incompleta, los hñibridos son fercuenetsy puede aber intercaciones

nñucleo-citioplasmáticas)

�Concluir sobre una introducción dada, NO sobre �La “especie” (no extrapolar resultados)

. Holotipo de la especie (HAH6727), La Paz, Bolivia;

herbario de Kew, Gran Bretaña.

Solanum okadae Hawkes et Hjerting

S. okadae (2x)

Bolivia Argentina

Argentina

Introducciones del Banco de Germoplasmade Papa del INTA, Argentina

Camadro et al. 2007

Erazzú y Camadro 2008

Híbridos interespecíficos 2x (naturales)

Híbridos interespecíficos 2x (artificiales)

tbr x grl tbr x chc