Presentazione di PowerPoint

ORGANIZZAZIONE
CROMOSOMICA
PLOIDIA, AUTOPOLIPLOIDI
E ALLOPOLIPLOIDI
APLOIDIA E ANEUPLOIDIA
Genetista di
orchidee
Orchidea con corredi
cromosomici multipli
(poliploide)
Genitori diploidi
GENERAZIONE DI PIANTE MONOPLOIDI
MEDIANTE COLTURA TISSUTALE
I monoploidi hanno un ruolo importante nei
moderni approcci alla selezione di varietà
vegetali
La diploidia è un fattore intrinseco di
disturbo, quando si vuole indurre e
selezionare nuove mutazioni geniche
vantaggiose. Infatti le nuove mutazioni
recessive devono essere rese
omozigoti per poter essere espresse.

Utilizzo della colchicina per generare un diploide a
partire da un monoploide. La somministrazione di
colchicina a cellule in metafase e anafase blocca la
formazione delle fibre del fuso, impedendo la
migrazione dei cromatidi dopo la divisione del
centromero: si genera un’unica cellula che contiene
coppie di cromosomi identici, omozigoti a tutti i loci
Tecnica per nuove varietà: la parete cellulare delle cellule aploidi viene rimossa
per via enzimatica, quindi le cellule vengono esposte a un mutageno e
piastrate su agar contenente un agente selettivo, ad es. un composto tossico
prodotto da un parassita delle piante. Solo le cellule contenenti una mutazione
che conferisce resistenza e quindi le fa sopravvivere in presenza del tossico,
riusciranno a crescere. Dopo un trattamento con appropriati ormoni, le cellule si
sviluppano in piante monoploidi che in seguito a trattamento con colchicina, si
convertono in piante diploidi omozigoti
TRIPLOIDI (es. banane,
cocomeri…)
 Si
formano spontaneamente in
natura oppure possono essere
costruiti incrociando un
tetraploide 4X e un diploide 2X: i
gameti 2X e X formano il triploide.
Sono sterili. Il problema sta
nell’appaiamento durante la
meiosi.
Due possibili modalità per l’appaiamento di tre
cromosomi omologhi, nella fase che precede la I
divisione meiotica in un triploide. L’esito finale è
sempre lo stesso: una delle cellule figlie riceverà 2
cromosomi, l’altra 1 solo
Il risultato finale di entrambe le situazioni è una
segregazione ineguale, con due cromosomi
che migrano in una direzione e l’altro nella
direzione opposta…E ciò accade per ogni
gruppo di tre cromosomi. Si formano due tipi di
gameti: aploidi e diploidi, se tutti i cromosomi
spaiati migrano allo stesso polo e quelli
appaiati migrano al polo opposto. La
probabilità che avvenga una meiosi di questo
tipo è molto bassa; tutti gli altri tipi di meiosi
daranno origine a gameti con un numero
cromosomico tra aploide e diploide,
aneuploidi, non funzionali o che finiscono in
uno zigote che darà letalità o sterilità
Aumento dell’autopoliploidia in tabacco
Le piante poliploidi sono spesso più
grandi e hanno organi più grandi delle
diploidi con cui sono imparentate
 Anche la quantità di prodotti genici
(proteine e RNA) è proporzionale al
numero di copie dei rispettivi geni
nelle cellule e tale numero è più alto
nelle cellule di un poliploide che in
quelle di un diploide
AUTOTETRAPLOIDI
Si formano spontaneamente
in natura per l’accidentale
raddoppiamento di un
genoma 2X in 4X (o con
colchicina)
Modalità di appaiamento alla meiosi nei
tetraploidi
Gameti
funzionali
Gameti
non
funzionali
ALLOPOLIPLOIDI
I
prototipo: ibrido fertile che avesse le
foglie del cavolo (Brassica) e le radici
del ravanello (Raphanus) cioè le parti
più importanti delle due piante.
Contengono 18 cromosomi ciascuna
e possono essere incrociate.
Origine dell’anfidiploide (Raphanobrassica)
Produzione dell’anfidiploide Triticale 1974 (da
frumento,Triticum,2n=6x=42 e segale, Secale,
2n=2x=14): unisce l’alta produttività del frumento
con la resistenza alle ruggini della segale
Schema triangolare che mostra quanto l’anfiploidia
sia stata importante nella speciazione del genere
Brassica
Tappe evolutive che avrebbero portato al moderno
frumento esaploide: sarebbe avvenuta la formazione di
anfidiploidi in due momenti distinti dell’evoluzione della
specie. A,B, D indicano corredi cromosomici differenti
Allopoliploidi somatici dall’ibridazione di cellule
somatiche (ibrido tra 2 linee monoploidi di Nicotiana
tabacum mediante fusione cellulare)
Ibridazione sessuale e somatica danno origine in Petunia
ad allotetraploidi identici.
I due allotetraploidi producono la
stessa gamma di tipi nella
progenie (fiori II eIV fila)
E’ possibile ottenere piante
allopoliploidi tramite l’incrocio di
specie correlate, seguito poi dal
raddoppiamento dei cromosomi
nell’ibrido oppure tramite un
metodo asessuale che prevede
la fusione di cellule di due
specie differenti
Mutazioni genomiche
Un organismo o una cellula sono definiti euploidi quando
presentano un assetto cromosomico completo o un multiplo
esatto di assetti cromosomici completi. Questa condizione è
definita come euploidia.
Un organismo o una cellula sono definiti aneuploidi quando
presentano un assetto cromosomico incompleto, o ridondante, per
la mancanza o la presenza in eccesso di uno o più cromosomi
singoli.La condizione è definita come aneuploidia.
Variazioni nel numero di cromosomi che portano ad una
situazione di aneuploidia possono verificarsi per mancata o
irregolare disgiunzione di una o più coppie di cromosomi omologhi
in prima o seconda divisione meiotica nel corso della
gametogenesi.
Le situazioni aneuploidi che si possono verificare sono diverse e
Tutte le forme di aneuploidia sono letali o sub-letali per gli
animali, mentre sono molto meglio sopportate dalle piante
nelle quali sono state utilizzate, in passato, come un
importante mezzo di ricerca per studiare la funzione dei geni
situati su singoli cromosomi. Forme aneuploidi sono anche
osservabili, più frequentemente che in quelle animali, nelle
popolazioni naturali di diverse specie vegetali.
Spighe delle diverse varietà nullisomiche del frumento. Il numero
e la lettera sottostanti a ciascuna spiga indicano il cromosoma
assente in quella varietà. Il frumento (esaploide) tollera la
condizione nullisomica. Le varietà nullisomiche (2n-2) crescono
però con meno vigore
Monosomie: 2n-1
Generazione di gameti aneuploidi mediante nondisgiunzione in prima o in seconda divisione meiotica
Meiosi relativa a un cromosoma monosomico. 2 dei gameti
risultanti sono aploidi (n), mentre gli altri 2 gameti
contengono un corredo mancante di un cromosoma (n-1)
TRISOMIE
Condizione caratterizzata da uno
sbilancio cromosomico, può portare ad
anomalie o alla morte ma gli organismi
trisomici vitali sono numerosi (es.
Datura stramonium)
Genotipi dei prodotti meiotici di un individuo trisomico A/a/a. Sono
possibili tre diverse modalità di segregazione che si verificano con
uguale probabilità
Un organismo o una cellula vengono definiti euploidi quando
presentano uno o più assetti cromosomici in eccesso rispetto
alla situazione diploide normale. Si fanno ricadere tra gli
euploidi anche le situazioni monoploidi nelle quali è presente
un unico assetto cromosomico aploide (n).
La situazione monoploide è rara e, tra gli animali, è presente in
api, vespe, formiche, in individui provenienti da uova non
fecondate.
Nelle piante, individui monoploidi possono essere ottenuti
artificialmente mediante la coltura di antere o di microspore
oppure di ovuli non fecondati. Gli individui monoploidi (aploidi)
possono essere vantaggiosamente utilizzati per ottenere i
cosiddetti aploidi diploidizzati, o diplo-aploidi, mediante
trattamento con colchicina dell’apice vegetativo, caratterizzato
dalla presenza di cellule meristematiche in attiva divisione, e
conseguente raddoppiamento del numero cromosomico (n
2n). Il trattamento con colchicina, alcaloide inizialmente
identificato nella specie Colchicum autunnale, ha infatti l’effetto
di bloccare la formazione del fuso mitotico nel corso della
divisione cellulare. In questo modo si possono ottenere individui
completamente omozigoti anche partendo da piante eterozigoti.
La situazione polipoide è invece molto comune nelle specie
vegetali dove ha rappresentato uno strumento di notevolissima
importanza dal punto di vista evolutivo. Circa la metà dei generi di
piante conosciute contiene specie polipoidi e sono polipoidi i due
terzi delle graminacee. La moltiplicazione del genoma è perciò da
ritenere un evento mutazionale piuttosto comune tra le
angiosperme ed ha contribuito in modo marcato alla speciazione,
soprattutto tra le specie arboree.
Una conseguenza abbastanza generalizzata della poliploidia è
l’aumento delle dimensioni cellulari che, in generale, si traduce in
un aumento di dimensioni dell’organismo. Le specie polipoidi
tendono ad essere più grandi delle loro omologhe diploidi e
questo implica, di solito, la tendenza a produrre semi, frutti, radici,
foglie di maggiori dimensioni e, quindi, a fornire una più
consistente produzione utile.
E’ presumibilmente per questo motivo che esempi di poliploidia
sono molto frequenti tra le specie coltivate le quali, per circa due
terzi, sono da ritenersi polipoidi (2n > 18). Tra le piante coltivate
è inoltre abbastanza agevole rintracciare quelle che sono
individuate come “serie polipoidi” che comprendono specie con
numeri di cromosomi che, per ciascuna serie, sono multipli di
uno stesso numero cromosomico di base. In qualche caso si
tratta di specie a diverso grado di evoluzione o a diverso tipo di
utilizzazione e che raccordano molto chiaramente le specie
coltivate attuali con quelle di più antica domesticazione o con le
specie ancestrali.
A seconda dell’origine degli assetti cromosomici, si fa
distinzione tra:
autopoliploidia = quando tutti gli assetti cromosomici derivano
dalla medesima
specie;
allopoliploidia = quando gli assetti cromosomici derivano da
specie diverse
Nei poliploidi non sono rari fenomeni più o meno accentuati di
sterilità in quanto, alla meiosi, possono formarsi gameti
scompensati (n ± 1) che, unendosi o tra loro o con gameti
normali, possono formare zigoti scarsamente vitali, o
completamente non in grado di sopravvivere, oppure sterili.
La sterilità è particolarmente frequente negli autopoliploidi nei
quali, la presenza di serie di cromosomi uguali comporta
difficoltà di appaiamento degli omologhi alla prima divisione
meiotica che possono causare anche perdita di tratti di uno o
più cromosomi con perdita di informazione genetica e la
conseguente formazione di gameti non vitali.
In molte specie (es. graminacee) questi fenomeni sono
superati o con la propagazione vegetativa oppure con
meccanismi che comportano la formazione di semi senza
che vi sia unione tra gameti (apomissia).
GAMETOGENESI NORMALE
GAMETOGENESI ALTERATA
Tra gli autopoliploidi, inoltre, è opportuno distinguere fra
omozigoti e eterozigoti (vedi figura).
In questo caso, il termine “omozigote” sta ad indicare che nella
costituzione genetica dell’autopoliploide non vi è unione tra
gameti di individui diversi. Il termine “eterozigote” indica invece
che la situazione polipoide si è generata con il contributo di
individui diversi. I due termini non fanno quindi riferimento al
tipo di alleli presenti nel polipoide
autopoliploidi omozigoti = si originano per unione di gameti non
ridotti prodotti dallo stesso individuo oppure in seguito a
duplicazione del numero di cromosomi in cellule somatiche
(meristematiche) di un individuo originatosi per autofecondazione,
come conseguenza di irregolarità nella mitosi analoghe a quelle
indotte dal trattamento con colchicina.
autopoliploidi eterozigoti = si originano dall’unione di gameti non
ridotti prodotti da individui diversi della stessa specie, oppure in
seguito a duplicazione del numero di cromosomi in cellule
somatiche (meristematiche) di un individuo originatosi per
incrocio.
Livelli di poliploidia particolari (3n, 5n, 6n e superiori si sono
probabilmente originati per unione di gameti non ridotti (2n) con
gameti normali (n) o per duplicazione di livelli di ploidia intermedi:
2n + n = 3n; 3n + 2n = 5n; 3n x 2 = 6n, ecc.
Una annotazione a parte meritano gli autopoliploidi in
quanto presentano un particolare modello di ereditarietà
che è indicato come “eredità tetrasomica” per distinguerlo
da quello osservabile in una specie diploide e che è
indicato come “eredità disomica”.
Vale anche la pena ricordare che nei vegetali esistono e
sono stati identificati geni che controllano l’appaiamento
cromosomico alla meiosi e dalla cui espressione può
quindi dipendere la possibilità della regolare formazione
dei gameti.
I poliploidi di nuova formazione, sia omozigoti che eterozigoti,
presentano generalmente un’accentuata variabilità per la maggior
parte delle loro caratteristiche morfologiche e fisiologiche e,
proprio per questo, sono generalmente caratterizzati da una
maggiore capacità adattativa rispetto ai corrispondenti diploidi da
cui derivano. E’ ovvio che tale variabilità sarà tanto più elevata
quanto maggiore è la diversità genetica dei genomi che si
uniscono.
Come si è detto, gli allopoliploidi si originano per unione di gameti
prodotti da individui di specie diverse. Anche in questo caso
l’unione può essere tra gameti maschili e femminili non ridotti
oppure tra un gamete non ridotto di una specie e un gamete
normale dell’altra, oppure, ancora, per unione di gameti normali
delle due specie e successivo raddoppiamento del numero di
cromosomi dell’ibrido interspecifico sterile.
In ogni caso, gli allopoliploidi presentano un livello di fertilità
superiore a quello degli autopoliploidi in quanto ciascuno dei due
assetti cromosomici provenienti dalle due specie ha la possibilità
di appaiarsi normalmente alla meiosi.
Non è quindi casuale che tra le specie coltivate i casi di
autopoliploidia siano estremamente rari mentre, al contrario,
l’allopoliploidia è di gran lunga la più diffusa e ad essa è
riconosciuto un ruolo estremamente importante per la loro
evoluzione.
Emblematica, da questo punto di vista, è la storia evolutiva dei
generi Triticum, Brassica e Fragaria.
Anche gli allopoliploidi possono essere costituiti artificialmente
facendo ricorso alla ibridazione interspecifica tra individui 2n. Da
questa è possibile ottenere un ibrido il quale, pur essendo in molti
casi in grado di sopravvivere e vegetare regolarmente, risulta però
sterile proprio per l’impossibilità dei cromosomi delle due specie di
appaiarsi regolarmente nel corso della meiosi. Il trattamento con
colchicina dell’apice vegetativo, inducendo il raddoppiamento del
numero di cromosomi, ripristina la regolarità del processo
meiotico e,quindi, anche la fertilità dell’ibrido.
Esistono anche almeno due esempi di specie nuove costituite
artificialmente con questa procedura, Triticale e Tritordeum
derivate, rispettivamente dall’incrocio Triticum x Secale e
Triticum x Hordeum
Un fenomeno diverso, che ha contribuito moltissimo
all’evoluzione di alcune specie coltivate e che implica
comunque l’ibridazione interspecifica è l’introgressione.
Con questo processo, ad una iniziale ibridazione
interspecifica tra due specie più o meno lontane fa seguito
una serie di ulteriori incroci dell’ibrido su una delle due
specie parentali con conseguente ricostituzione della
maggior parte del genoma della specie ricorrente e con
l’acquisizione di una parte più o meno rilevante del genoma
dell’altra. Esempi di questo si hanno nel mais (Zea mais) e
nel girasole (Helianthus annuus).
Meccanica dei cromosomi e
selezione di varietà vegetali
Applicazione di tecniche
classiche di incrocio e
selezione per trasferire geni
Anni ’50 esperimento di E.R. Sears
 Trasferimento
di un gene per la
resistenza alle ruggini da una
pianta selvatica Aegilops
umbellulata al frumento, molto
sensibile a questa micosi che
crea problemi anche per
l’industria della panificazione
Foglia di grano infettata da ruggine, le macchie sono formate
dalle spore fungine. I vari tipi di ruggini sono patogeni per
molte specie vegetali come cereali, pini e caffè. Le ruggini
causano ogni anno miliardi di dollari di danni e molti
programmi di selezione sono finalizzati a produrre linee dotate
di resistenza genetica a queste micosi
Frumento
Aegilops umbellulata
Procedura seguita da Sears per trasferire la resistenza alle ruggini da
Aegilops al frumento. A, B, C e D indicano assetti cromosomici di
origine diversa. R rappresenta il determinante genetico (gene singolo?)
della resistenza
Il cromosoma in più portava,
insieme a quello desiderato troppi
geni di Aegilops. Per rompere
l’associazione tra questi geni e il
gene per la resistenza, Sears riuscì
a farlo impollinando il frumento con
il polline irradiato proveniente da
queste piante
Traslocazione del segmento R di Aegilops al
frumento,usando radiazioni per rompere i cromosomi