UNIDAD 4

MECANISMOS DE AUTOINCOMPATIBILIDAD

EN ANGIOSPERMAS

TIPOS Y EVOLUCIÓN

DISTRIBUCIÓN EN LAS ANGIOSPERMAS

1.- El éxito de las angiospermas es, en parte, consecuencia de las innovaciones reproductivas únicas que evolucionaron con la adquisición de la flor: - Cerramiento del carpelo: permitió la evolución de mecanismos efectivos de selección y discriminación del polen (desarrollo del estilo y del estigma). - Doble fertilización: uso más eficiente de los recursos porque las reservas (endosperma) sólo se asignan a la semilla (nuevo esporofito) después de la fertilización. 2.- La mayor parte de las angiospermas tiene flores hermafroditas pero también la mayor parte de ellas promueve el entrecruzamiento: - Dicogamia, hercogamia (heterostilia), enantiostilia (no sólo promueven el entrecruzamiento sino que evitan la interferencia entre las funciones sexuales). - Sistemas de autoincompatibilidad (sistemas genéticos). 3.- Un bajo porcentaje de angiospermas presenta sistemas diclíneos para promover el entrecruzamiento.

AUTOINCOMPATIBILIDAD

Sistema de reconocimiento entre el polen y el estigma, determinado genéticamente

(hereditario), que previene la autofertilización y/o la fertilización por otros individuos

con los mismos alelos de incompatibilidad.

Sistema de autoincompatibilidad gametofítico (multialélico)

Sistema de autoincompatibilidad esporofítico

- Homomórfico (multialélico)

- Heteromórfico (di-alélico)

“Ventaja” de los múltiples alelos: a mayor número de alelos es menor la frecuencia de

cruces incompatibles.

Producción de semillas

SI SC

Genets aislados (un individuo o un clon), polinización abierta no sí

Cruces artificiales entre genets diferentes sí sí

Autopolinizaciones artificiales dentro de un genet no sí

Características SI Gametofítico SI Esporofítico

Grano de polen binucleado trinucleado

respiración baja alta

viabilidad larga corta

crecimiento in vitro fácil difícil

Papilas estigmáticas húmedas secas

Sitio de inhibición del crecimiento del tubo polínico cuando hay autoincompatibilidad

en el estilo en el estigma

“Verdadera” autoincompatibilidad: eventos precigóticos que previenen la fertilización

Los eventos postcigóticos pueden deberse a problemas genéticos del embrión (p.e.

expresión de genes letales producto de autofertilización “inbreeding depression” o

inconsistencias entre los genotipos paternos) o por rechazo del embrión por parte del

esporofito materno y posterior aborto sin que se deba a defectos del embrión

(autoincompatibilidad postcigótica y autoincompatibilidad críptica)

La falla precigótica puede ocurrir en cualquier punto antes de la fertilización: en el

estigma, en el estilo, en el ovario o en el óvulo

Un alto número de alelos de autoincompatibilidad reduce la posibilidad de una

respuesta de rechazo en cruces con individuos relacionados – reduce el rechazo de

apareamientos favorables

Origen

Hipótesis 1: Se originaron una sola vez en las angiospermas (origen monofilético) y

todos los sistemas existentes son derivados de la condición primitiva de

autoincompatibilidad. Evidencia: la amplia presencia de los sistemas de

autoincompatibilidad en las angiospermas

Hipótesis 2: Se originaron varias veces (origen polifilético) y las características que

presentan son necesarias para su correcto funcionamiento. Evidencia: la amplia

presencia de los sistemas de autoincompatibilidad en las angiospermas

Acuerdo: SI gametofítico más primitivo que SI esporofítico y éste derivado del primero

(SI esporofítico originado de plantas autocompatibles)

SISTEMA DE AUTOINCOMPATIBILIDAD GAMETOFÍTICO

Sistema más primitivo y más extendido entre las angiospermas, tanto monocotiledóneas

como dicotiledóneas

Mayor parte de los órdenes de angiospermas (los más primitivos)

Hipótesis 1: origen anterior a las angiospermas (sistemas comparables en helechos y gimnospermas)

Hipótesis 2: se origino muy temprano en la historia de las angiospermas (asociado al desarrollo de la flor hermafrodita y al cerramiento del carpelo)

Control genético: 1 solo locus S (2 en gramíneas o 3 en especies de familias )

Multialélico con codominancia - 3 a 400 alelos

La descendencia es toda heteróciga para el locus S porque sólo se produce entre

parentales con diferentes alelos

La expresión de los genes de incompatibilidad ocurre en el gametofito masculino

(haploide) = los productos de los alelos de incompatibilidad se sintetizan después

de haber finalizado la meiosis

Microsporocito

Dos tipos de productos (dos alelos de

incompatibilidad)

Polen maduro binucleado (primera mitosis)

S1

S2

Producto sintetizado por el alelo S1

Producto sintetizado por el alelo S2

S1S2

La interacción ocurre entre el tubo polínico (fase gametofítica n) y los tejidos del estilo

(fase esporofítica 2n) el crecimiento del tubo polínico es detenido en el estilo

Codominancia

X X

X

Fenotipo del estilo S1S2

Progenie Ninguna S1S3 S2S3

S1S3 S1S4

S2S3 S2S4

AP

¿Cómo opera el sistema de incompatibilidad gametofítico?

1) El control del comportamiento del grano de polen depende de su genotipo haploide

2) Los granos de polen se hidratan externamente a partir del exudado húmedo del

estigma

3) El polen germina, crece el tubo polínico y penetra el estigma tanto en cruces

compatibles como incompatibles

4) Los tubos incompatibles se comportan en el estilo de forma similar al momento de la

fertilización pero sin haber alcanzado el óvulo

5) La reacción de incompatibilidad no ocurre hasta haber ocurrido la segunda mitosis en

el polen factor de incompatibilidad sintetizado por el tubo polínico durante su

crecimiento que reconoce otro factor de incompatibilidad presente en el estilo

6) Mediado por pectinasas para crecer a través de las paredes de las células del estilo

Ruptura o pérdida de la incompatibilidad gametofítica

- pérdida total: mutaciones que lleven a la pérdida de la autoincompatibilidad (generalmente en el polen = gametofito masculino haploide) - pérdida temporal: circunstancias particulares, pero el SIG se sigue heredando polinización en yema: polen maduro en estigmas inmaduros el gen S no se expresa aún en los estilos jóvenes permitiendo el crecimiento de los tubos incompatibles polinización retrasada: polen “fresco” en estigmas “muy” maduros pérdida de los productos del gen S con el tiempo de vida del estilo permite el crecimiento de los tubos efecto de “final de temporada”: las últimas flores en producirse en un ciclo reproductivo pueden ser autocompatibles efecto mentor: inducción de la autocompatibilidad de polen autoincompatible cuando aparece mezclado sustancia difundida desde el polen compatible compensa la incompatibilidad del polen propio altas temperaturas: afectan las isoenzimas que actúan en la reacción de incompatibilidad inhibiéndolas

Conclusión: la autoincompatibilidad es un fenómeno activo, que debe ser superado o inhibido para ser suprimido

SISTEMA DE AUTOINCOMPATIBILIDAD

HOMOMÓRFICO ESPOROFÍTICO

Sistema derivado, presente en familias avanzadas

Asteraceae – Brassicaceae – otras dicotiledóneas – algunos lirios

(no hay relación filogenética, origen polifilético)

Control genético: 1 solo locus (4) - Multialélico con codominancia o Multialélico con

dominancia compatibilidad parcial (dominancia en la antera y codominancia en el

estigma es lo más común)

Más eficiente que el gametofítico porque la inhibición ocurre a nivel del estigma

Todos los granos de polen de un parental tienen el mismo comportamiento sobre un

mismo parental femenino

La expresión de los genes de incompatibilidad ocurre en el esporofito masculino (diploide) = los productos de los alelos de incompatibilidad se sintetizan antes de completarse la meiosis y se depositan sobre el grano de polen – la constitución genética haploide de los granos de polen es irrelevante

Microsporocito

S1S2

Dos tipos de productos (dos alelos de incompatibilidad)

Polen maduro trinucleado

S1

S2

Todos los granos de polen, independientemente de que su carga genética sea S1 o S2, llevan los productos de autoincompatibilidad sintetizados por el alelo S1 y

por el alelo S2 (superficialmente)

Crecimiento del tubo polínico es detenido en la superficie estigmática – la interacción ocurre entre la exina del polen (fase esporofítica masculina 2n) y los tejidos del estigma/estilo (fase esporofítica femenina 2n)

Fenotipo del estilo S1S2

(Fenotipo S1)

(Fenotipo S1) (Fenotipo S3) (Fenotipo S4)

Codominancia en el estilo

Progenie

S1S3 S1S4

S2S3 S2S4

S1 > S3 S3 > S4

S4 > S3

Ruptura o pérdida de la incompatibilidad esporofítica

polinización en yema: polen maduro en estigmas inmaduros polinización retrasada: polen “fresco” en estigmas “muy” maduros altas temperaturas: afectan las isoenzimas que actúan en la reacción de incompatibilidad inhibiéndolas

¿Cómo opera el sistema de incompatibilidad homomórfico esporofítico?

1) El fenotipo del polen es controlado por el esporofito masculino diploide todos los granos de polen tienen el mismo fenotipo 2) Exina de origen esporofítico e intina de origen gametofítico 3) La reacción de incompatibilidad ocurre en la superficie estigmática las sustancias de incompatibilidad se producen superficialmente en el estigma (glicoproteínas que actúan como lectinas) 4) El estigma seco posee una película de proteínas que cubre la cutícula y que debe ser penetrada por el tubo polínico

SISTEMA DE INCOMPATIBILIDAD HETEROMÓRFICO ESPOROFÍTICO

Presente en 24 familias de plantas (Rubiaceae)

Sistema derivado, originado de plantas autocompatibles

Control genético: gen mayor o supergen con dos alelos con relación de dominancia S y s

Sólo existen dos fenotipos en la población: S (genotipo Ss) y s (genotipo ss)

Los fenotipos S sólo son compatibles con fenotipos s

Cruces legítimos Ss x ss producen descendencia con los dos fenotipos en igual proporción

Ss Ss y ss ss

Cruces ilegítimos S x S o s x s son incompatibles

La inhibición ocurre a nivel del estigma (no hay germinación del grano de polen) o a nivel del estilo (no hay crecimiento del tubo polínico)

Presenta heteromorfía lo que permite su reconocimiento morfológico vs. cruces

HETEROSTILIA

Hercogamia recíproca

Distilia: 24 familias – particularmente común en las Rubiaceae

Tristilia: 8 géneros en 3 familias (Lythraceae, Oxalidaceae, Pontederiaceae)

Casi todas autoincompatibles – algunas especies han revertido a la autocompatibilidad

Hipótesis de su origen: posterior a la adquisición de la autocompatibilidad para mejorar

el cruzamiento entre tipos compatibles – ganancia de aptitud masculina más que

promoción del entrecruzamiento

El flujo de polen es no azaroso: el polen del morfo breviestilo es depositado sobre el

estigma del morfo longiestilo y el polen del morfo longiestilo es depositado sobre el

estigma del morfo breviestilo

Plantas de Primula veris (Primulaceae): planta “thrum” o breviestilo (izquierda) y planta “pin” o longiestilo (derecha)

Flores de Primula veris: flores “thrum” o breviestilo (izquierda) y flores “pin” o longiestilo (derecha)

El polimorfismo genético está controlado por un supergen o gen mayor (loci ligados) con tres componentes principales: Longitud del estilo: alelo G dominante codifica para estilo corto y para papilas cortas en la superficie estigmática, mientras que el alelo recesivo g codifica para estilo largo y papilas estigmáticas largas Tamaño del polen: alelo P dominante codifica para el polen breviestilo, mientras que el alelo recesivo p codifica para polen longiestilo Posición de las anteras: alelo A dominante codifica para las anteras en posición superior (breviestilo), en la boca del tubo de la corola, mientras que el alelo recesivo a codifica para las anteras en posición interna (longiestilo) en el tubo de la corola Los alelos dominantes codifican para los caracteres breviestilo y los alelos recesivos para los caracteres longiestilo El morfo breviestilo es heterócigo GPA/gpa mientras que el morfo longiestilo es homócigo recesivo gpa/gpa

a: Estigma del morfo longiestilo (“pin”) b: Poro en la superficie del estigma (entre papilas) causado por la penetración del tubo polínico

c, d: Superficies estigmáticas c: con papilas cortas (morfo breviestilo o “thrum”), d: con papilas largas

(morfo longiestilo o “pin”)

htt

p:/

/ww

w.b

iolo

gie.

uni-

ham

burg

.de/

b-o

nlin

e/e1

0/1

9.h

tm

Polen: e: Polen grande (morfo breviestilo o “thrum”), f: Polen pequeño (morfo longiestilo o “pin”)

g: Penetración del tubo polínico en el estigma en un cruce compatible (polen del morfo longiestilo y estigma del morfo breviestilo). h: Reacción de repulsión (el

tubo polínico crece pero no penetra el tejido estigmático, creciendo “desorientado” en la superficie estigmática y finalmente secándose)

htt

p:/

/ww

w.b

iolo

gie.

uni-ham

burg

.de/

b-on

line/

e10

/19

.htm

e f

Función de las características heteromórficas 1) Heterostilia recíproca: funciona principalmente promoviendo el entrecruzamiento,

polinización por polinizadores específicos

2) Tamaño del polen: hipótesis a) el polen del morfo breviestilo es de mayor tamaño para crecer en el estilo del morfo longiestilo de mayor tamaño (mayor cantidad de reservas o mayor velocidad de crecimiento) o hipótesis b) el polen del morfo longiestilo es de menor tamaño porque debe producirse en mayor cantidad para alcanzar el estigma breviestilo menos expuesto

3) Esculturación del polen: diferencias en la superficie del polen corresponden con el tamaño de papilas del estigma correspondiente (polen del morfo breviestilo mayores esculturaciones)

4) Longitud de las papilas: hipótesis a) correlación de desarrollo = estilo largo papilas largas y estilo corto papilas cortas o hipótesis b) diferencias en la ultraestructura y química de las papilas debido a la elongación diferencial de las paredes celulares entre los morfos

5) Tejido de transmisión del estilo: morfo longiestilo tiene células más largas y delgadas que el morfo breviestilo (correlación de desarrollo con el mayor largo del estilo)

Anteras

Flor longiestilo

Flor breviestilo

“pin” “thrum”

Flujo de polen

Partes bucales largas - néctar – transfiere el polen

con sus partes bucales

Partes bucales cortas – polen o polen y néctar –

transfiere el polen con diferentes

partes del cuerpo

Flor longiestilo

Anteras

Las polinizaciones exitosas son cruces recíprocos longiestilo x breviestilo o breviestilo x longiestilo Las plantas longiestilo sólo producen gametos gpa mientras que las plantas breviestilo producen gametos GPA y gametos gpa en igual proporción, manteniendo el equilibrio del sistema Los cruces entre morfos iguales son equivalentes a autopolinizaciones y, por lo tanto, autoincompatibles El bajo porcentaje de recombinación en el supergen sugiere que las características controladas por él están altamente coadaptadas El sistema de incompatibilidad se favorece en especies con polinización cruzada especializada, mediada por animales La morfología floral es bastante especializada: pétalos fusionados formando un tubo o una campana que limitan la entrada de los polinizadores Flores de diámetro reducido, no zigomórficas ni con numerosos estambres

Recombinación en el supergen dialélico

Tres unidades en el supergen: a) G/g controla el largo del estilo, el tejido de conducción del estilo, el tipo de papilas

estigmáticas y la incompatibilidad femenina b) P/p controla el tamaño del grano de polen y la incompatibilidad masculina c) A/a controla la altura de las anteras

La recombinación sólo puede ocurrir en el morfo breviestilo (GPA/gpa)

Los recombinantes más comunes: Gpa y gPA = homostilos (baja frecuencia ≈ 1%)

Gpa = las características femeninas del morfo breviestilo y las características masculinas del morfo longiestilo anteras y estigma al mismo nivel (homostilo corto) – autofértiles (autoincompatibilidad femenina breviestilo y autoincompatibilidad masculina longiestilo) – se autopolinizan

gPA = las características femeninas del morfo longiestilo y las características

masculinas del morfo breviestilo anteras y estigma al mismo nivel (homostilo largo) – autofértiles (autoincompatibilidad femenina longiestilo y autoincompatibilidad masculina breviestilo) – se autopolinizan

¿Cómo opera el sistema de incompatibilidad heteromórfico dialélico?

La incompatibilidad intramorfo ocurre en diferentes momentos durante el proceso de fertilización:

a) Llegada, adhesión y germinación del polen sobre el estigma

b) Penetración de las papilas estigmáticas por el tubo polínico

c) Crecimiento del tubo polínico en el estigma

d) Crecimiento del tubo polínico en el estilo

a) El mecanismo de compatibilidad varía entre especies

b) En una especie, el mecanismo de incompatibilidad puede variar entre morfos

c) Las fallas en la fertilización ocurren por alguna de las razones a-d o por una

combinación de todas ellas – la inhibición estilar es más primitiva que la inhibición

estigmática