Hibridación y flujo génico en especies silvestres de papa de la Argentina

 

Camadro Elsa L.

Estación Experimental Agropecuaria (EEA) Balcarce, Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA)- Facultad de Ciencias Agrarias (FCA), Universidad Nacional de Mar del Plata (UNMdP), Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) CC 256, 7620 Balcarce, Buenos Aires. ecamadro@balcarce. inta. gov. ar

 

---

RESUMEN

La papa común, Solanum tuberosum ssp. tuberosum, es un tetraploide tetrasómico de estrecha base genética. Cuenta, sin embargo, con aproximadamente 200 especies tuberosas emparentadas, cultivadas y silvestres, nativas del continente americano. Muchas de estas especies, en su mayoría diploides, son fuentes potenciales de genes de interés para el mejoramiento genético, pero no pueden utilizarse directamente en cruzamientos con la papa común debido a la presencia de barreras a la hibridación. Desde hace aproximadamente 30 años, en el Laboratorio de Genética de la Unidad Integrada Balcarce se realiza la caracterización morfológica, genética, bioquímica y molecular de papas silvestres argentinas para identificar barreras a la hibridación y desarrollar estrategias para sortearlas con fines de mejoramiento genético. En el proceso, se han identificado barreras pre- y post-cigóticas a la hibridación intra- e interespecífica -dentro y entre niveles de ploidía-, propuesto modelos teóricos sobre el posible control genético de las mismas, y generado híbridos interespecíficos mediante manipulaciones de ploidía. Actualmente se están estudiando las bases moleculares de las barreras pre- cigóticas; un estudio similar para dilucidación de las bases moleculares de la barrera post-cigótica del endosperma está en un estado avanzado de desarrollo en Mendoza, Argentina. La variabilidad morfológica, genética y molecular de poblaciones clasificadas como especies puras y las anormalidades meióticas detectadas en éstas y en híbridos naturales, nos han llevado a proponer que el concepto de especie en las papas silvestres debería ser revisado a la luz de la genética.

Palabras clave: Incompatibilidad polen-pistilo; Endosperma; Androesterilidad; Poblaciones espontáneas.

ABSTRACT

The common potato, Solanum tuberosum ssp. tuberosum, is a tetrasomic tetraploid with a narrow genetic base. It has, however, approximately 200 related tuber-bearing species, both cultivated and wild, that are native to the American continent. Many of these species, most of them diploid, are potential sources of genes of interest for breeding; however, they cannot be used directly in crosses with the common potato due to the presence of hybridization barriers. For approximately 30 years, the Laboratory of Genetics of the Unidad Integrada Balcarce has carried out the morphological, genetic, biochemical and molecular characterization of Argentinian wild potatoes, to identify hybridization barriers and to develop strategies to circumvent them for breeding. In the process, pre- and post-zygotic intra- and interspecific hybridization barriers -within and between ploidy levels- have been identifed, theoretical genetic models on the possible genetic control of these barriers have been developed, and interspecific hybrids have been generated through ploidy level manipulations. Currently, the molecular bases of the pre-zygotic barriers are under study in the Laboratory; a similar study for elucidation of the molecular bases of the post-zygotic barriers is at an advanced stage of development in Mendoza, Argentina, The morphological, genetic and molecular variability of natural populations samples classifed as pure species and the meiotic abnormalities detected in these and in natural hybrids, have led us to propose that the species concept in the wild potatoes should be revised in the light of these genetic findings.

Key words: Pollen-pistil incompatibility; Endosperm; Androsterility; Spontaneous populations.

---

 

La papa común, Solanum tuberosum L. ssp. tuberosum es un tetraploide tetrasómico con aproximadamente 200 especies silvestres estrechamente emparentadas, que producen tubérculos. Estas especies, conocidas genéricamente como "papas" y agrupadas en la sección Petota Dumortier, subsección Potatoe, tienen ploidías que van desde diploide (en su mayoría) a hexaploide, con x=12 (Hawkes, 1994).
Las papas silvestres tienen una distribución muy amplia en el continente americano: desde el suroeste de EUA hasta el sur de Chile -pasando por México y América Central y siguiendo la línea de los Andes- y, hacia el este, en Argentina, Paraguay, Uruguay and Brasil. Por ello, tienen amplia adaptación a diversos macro- y microambientes (Hawkes y Hjerting, 1969).
La Argentina es centro de origen y de diversidad genética de aproximadamente 35 especies silvestres, que constituyen una fuente importante de genes de interés agronómico, culinario e industrial para el mejoramiento genético (Ross, 1986; Santini et al., 2000). Sin embargo, este germoplasma no puede utilizarse directamente en cruzamientos con la papa común debido a la presencia de barreras pre-y post cigóticas a la hibridación (Camadro et al., 2004).
Desde hace aproximadamente 30 años, en el Laboratorio de Genética de la Unidad Integrada Balcarce (Estación Experimental Agropecuaria Balcarce, Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria-Facultad de Ciencias Agrarias, Universidad Nacional de Mar del Plata) se realiza la caracterización morfológica, genética, bioquímica y molecular de las especies silvestres argentinas para identificar barreras a la hibridación y desarrollar estrategias para sortearlas con fines de mejoramiento genético.
El patrón de variabilidad genética de las papas está altamente infuenciado por los modos alternativos de reproducción que le son propios: sexual, por semillas, y asexual, por "estolones" y tubérculos. El sistema de reproducción provee la oportunidad para el mantenimiento de genotipos superiores en ambientes estables y la rápida evolución de nuevas formas bajo condiciones ambientales cambiantes.
La polinización en las papas es entomófila. La mayoría de las especies diploides poseen un sistema de autoincompatibilidad gametofítica controlada por el locus S, de modo que son alógamas obligadas.
Las especies de ploidía mayor son en su mayoría alógamas, pero el fenómeno de "interacción competitiva" (Frankel y Galun, 1977) disminuye o anula la reacción de autoincompatibilidad en granos de polen heterocigóticos para el locus S, permitiendo la autofecundación. En poliploides disómicos que son autógamos como el trigo, la homocigosis simultánea para alelos diferentes en loci duplicados y la heterocigosis resultante de la interacción entre dichos alelos produce el fenómeno de "heterocigosis fija" (MacKey 1970). Camadro et al.(1992) propusieron que la autocompatibilidad en S. acaule, tetraploide disómico autógamo que crece a grandes altitudes y que se reproduce sexualmente en ausencia de insectos polinizadores (y por extensión, en otras especies de papa tetraploides y hexaploides disómicas), sería el resultado de la heterocigosis fija para el locus S y la interacción competitiva de los alelos en ese locus.
Las especies de papa están aisladas en la naturaleza por barreras externas a la hibridación (espaciales, temporales y ecológicas, entre otras), reforzadas por barreras internas, pre- y post-cigóticas. Las barreras pre-cigóticas son el resultado de señales bioquímicas incongruentes entre el polen y el pistilo durante la fase progámica que conduce a la fecundación; las barreras post-cigóticas pueden deberse a sistemas genéticos contrastantes o a desbalances génicos que producen aborto de embrión, endosperma o ambos (Camadro et al., 2004). Estas barreras pueden ser unilaterales o bilaterales, según ocurran en uno o en ambos sentidos de un mismo cruzamiento; cuando están ausentes o son incompletas, se puede originar progenie híbrida. Estos híbridos, sin embargo, pueden ser débiles, estériles o colapsar en generaciones segregantes.
La autoincompatibilidad es consecuencia de la identidad genética mientras que la incompatibilidad cruzada (IC) o incongruencia es el corolario de la divergencia evolutiva (Hogenboom, 1973). En la autoincompatibilidad gametofítica, el crecimiento del tubo polínico cesa en el primer tercio del pistilo. En papa, se han identificado hasta cuatro sitios de IC en cruzamientos intra- e interespecíficos, dentro y entre niveles de plodía, como: S. gourlayi 4x-S. oplocense 6x y retrocruzas (Camadro y Peloquin, 1981), S. tuberosum ssp. tuberosum 4x-S. okadae 2x (Camadro et al., 2007), poblaciones 2x con germoplasma de S. chacoense 2x y S. phureja 2x (Camadro et al., 1998), S. tuberosum ssp. tuberosum 4x-S. kurtzianum 2x y S. ruiz-lealii 2x (Raimondi y Camadro, 2003), entre las dos últimas especies y S. chacoense (Raimondi et al., 2003); S. maglia 2x-S. kurtzianum 2x (Ispizúa et al., 1999), y hasta entre grupos morfológicos de S. spegazzinii 2x (Erazzú et al., 1999, 2009).
La acción de genes específicos independientes del locus S para explicar los cruzamientos incompatibles en papa fue inicialmente propuesta por Grun y Radlow (1961); más tarde se sumaron Camadro y Peloquin (1981), Masuelli y Camadro (1997), Camadro et al.(1998), Erazzú et al.(1999), entre otros. Camadro y Peloquin (1981) propusieron un modelo de IC con genes dominantes en pistilos y genes dominantes específicos complementarios en polen, que interaccionarían sobre la base de uno a uno, basados en el modelo de incongruencia de Hogenboom (1973). Este modelo, que asume segregación para ambos tipos de loci, acomoda todos los resultados observados en cruzamientos inter- e intra-especificos en papa (Camadro et al., 2004). Actualmente, estamos investigando las bases moleculares de estas barreras pre-cigóticas.
En papa, el éxito de un cruzamiento compatible en el nivel polen-pistilo no depende de la ploidía real de los progenitores. Johnston et al. (1980) propusieron que el desarrollo normal del endosperma depende de la "ploidía efectiva" o Número de Balance del Endosperma (NBE); estos NBE tienen que estar en propoción 2:1 (aportados, respectivamente, por los progenitores femenino y masculino) en el endosperma para su normal desarrollo. El NBE y la ploidía real no siempre coinciden. En base al número de semillas normales/fruto en cruzamientos compatibles y la ploidía de la descendencia se han asignado de 1 a 4 NBE a las especies de papa (Hanneman, 1994). Dada la compatibilidad polen-pistilo, las especies 4x con 4 NBE (ej. papa común) pueden cruzarse (a) directamente con especies con el mismo NBE independientemente de su ploidía real, como S. gourlayi 4x y S. oplocense 6x (Camadro y Peloquin, 1981), (b) con especies con 2 EBN que producen gametos 2n, como S. acaule 4x (Camadro y Espinillo, 1990) o (c) si se reduce su ploidía por haploidización, con especies 2x como S. gourlayi, S. chacoense y S. spegazzinii (Santini et al., 2000). Usualmente se considera que la barrera del endosperma es la más importante en papa (Johnston et al., 1980); sin embargo, hemos demostrado que esta barrera es parte de un grupo más grande de barreras post-cigóticas que se expresan en el desarrollo de la semilla (Masuelli y Camadro, 1997) y que previenen la formación de híbridos viables.
Para las papas, se ha propuesto que el NBE tendría un control genético relativamente simple (pocos genes de efecto aditivo), aunque hay discrepancias con respecto a su posible número (Ehlenfeldt y Hanneman, 1988; Camadro y Masuelli, 1995). Las bases moleculares del NBE aún no están totalmente esclarecidas, aunque el grupo del Dr. R. Masuelli, de la UNCU, Argentina (con el cual tenemos colaboración) ha avanzado en el estudio de patrones de expresión génica diferencial en semillas de cruzamientos intra- e interespecíficos compatibles e incompatibles a nivel del endosperma.
En ausencia de las barreras previamente descritas, otras barreras post-cigóticas pueden impedir la reproducción de los híbridos. Una de las principales es la androesterilidad, que puede tomar diversas formas en papa: indehiscencia de anteras, formación de espóradas, fusiones antera-pistilo, flores deformadas, polen contraído, entre otras (Abdalla y Hermsen, 1972; Larrosa et al., 2005; Marfil et al., 2009). Estas formas pueden estar controladas por genes nucleares o citoplasmáticos, aunque las más frecuentes son el resultado de interacciones entre ambos. En introducciones de bancos de germoplasma, clasificadas como especies diploides "puras" (S. chacoense, S. ruiz-lealii y S. okadae), probables híbridos naturales (S. gourlayi 2x o 4x-S. infundi-buliforme 2x), híbridos artificiales (S. gourlayi 4x-S. tuberosum 4x; S. tuberosum 2x x especie silvestre 2x) y poblaciones naturales aparentemente de una especie diploide "pura" (S. chacoense), hemos detectado androesterilidad y anormalidades meióticas en sinapsis, segregación cromosómica -con cromosomas adelantados y rezagados-, puentes y fragmentos, micronúcleos, husos paralelos, fusionados y tripolares y otros, tríadas y tétradas anormales, problemas en la exina, todos ellos conducentes a la formación de microgranos de polen, polen estéril y polen viable 2n y 4n (Santini et al., 2000; Raimondi et al., 2005; Bottini et al., 2008; Larrosa et al., 2011). El carácter "flores deformadas" observado en S. ruiz-lealii ha sido atribuido a cambios en la metilación del ADN (Marfil et al., 2009).
En áreas de simpatría, la hibridación y el flujo génico dentro y entre niveles de ploidía -facilitado por la producción de gametos 2n funcionales (Camadro y Peloquin, 1981) que permiten sortear la barrera del endosperma, da como resultado patrones muy complicados de variación fenotípica y genética (Bedogni y Camadro, 2009; Erazzú et al., 2009; Masuelli et al., 2009). Aunque las poblaciones naturales pueden estar conformadas por plantas con distintos grados de parentesco, los taxónomos de papa han sido, generalmente, renuentes a reconocer el papel de la hibridación en la evolución del grupo, asignando mayormente categorías específicas (Masuelli et al., 2009). En coincidencia con las observaciones de algunos taxónomos (Correll, 1962; Ugent, 1966; Hawkes y Hjerting, 1969) los resultados de aproximadamente 30 años en el Laboratorio de Genética dan amplio sustento a la hipótesis de que la hibridación homoploide ha sido relevante en la evolución de las papas silvestres (Masuelli et al., 2009 a) y que el concepto de especie biológica no puede aplicarse directamente en las mismas (Masuelli et al., 2009 b), por lo que debería ser revisado a la luz de la genética.

AGRADECIMIENTOS

A los becarios y estudiantes de grado y posgrado del Laboratorio de Genética, quienes a lo largo de muchos años contribuyeron a generar no sólo conocimientos sobre las papas silvestres argentinas sino también enriquecedoras discusiones académicas que aún continúan.
Al INTA, la UNMdP, el CONICET y la SECyT, que a lo largo de los años financiaron las investigaciones sobre recursos genéticos de papa y otras hortalizas que se realizan en el Laboratorio de Genética.

BIBLIOGRAFÍA

1. Abdalla M. M. F., Hermsen J. G. Th. (1972) Plasmons and male sterility types in Solanum verrucosum and its interspecific hybrid derivatives. Euohytica 21: 209-220.         [ Links ]

2. Bedogni M. C., Camadro E. L. (2009). Morphological and molecular evidences of natural interspecific hybridization in the diploid potato Solanum kurtzianum Bitter et Wittm. from Argentina. Botany 87: 78-87.         [ Links ]

3. Bottini M. C. J., Greizenstein E. J., Poggio L., Camadro E. L. (2008) Irregularidades meióticas en la especie silvestre diploide de papa Solanum okadae Hawkes & Hjert. J. Basic Appl. Gent. XIX (suppl.):115.         [ Links ]

4. Camadro E. L.; Espinillo J. C. (1990) Germplasm transfer from the wild tetraploid species Solanum acaule Bitt. to the cultivated potato, S. tuberosum L., using 2n eggs. Am. Potato J. 67: 737 749.         [ Links ]

5. Camadro E. L., Peloquin S. J. (1981) Cross-incompatibility between two sympatric polyploid Solanum species. Theor. Appl. Genet. 60:65-70.         [ Links ]

6. Camadro E. L., Masuelli R. W. (1995) A genetic model for the endosperm balance number (EBN) in the wild potato Solanum acaule Bitt. and two related diploid species. Sex. Plant Reprod 8:283-288.         [ Links ]

7. Camadro E. L., Carputo D., Peloquin . S. J. (2004) Substitutes for genome differentiation in tuber-bearing Solanum: interspecific pollen-pistil incompatibility, nuclear-cytoplasmic male sterility, and endosperm. Theor. Appl. Genet. 109: 1369-1376        [ Links ]

8. Camadro E. L.; Masuelli R. W.; Cortés M. C. (1992) Haploids of the wild tetraploid potato S. acaule Bitt. ssp. acaule: generation, meiotic behavior and electrophoretic pattern for the aspartate aminotransferase (AAT) system. Genome 35:431 435.         [ Links ]

9. Camadro E. L.; Verde L. A.; Marcellán O. N. (1998) Pollen-pistil incompatibility in a diploid hybrid potato population with cultivated and wild germplasm. Am. J. Potato Res. 75: 81-85.         [ Links ]

10. Camadro E. L., Saffarano S. K., Espinillo J. C., Castro M., Simon P. W. (2008) Cytological mechanisms of 2n pollen formation in the wild potato Solanum okadae and pollen-pistil relations with the cultivated potato, Solanum tuberosum. Genet. Resour. Crop Evol. 55:471-477        [ Links ]

11. Correll, D. S. 1962. The potato and its wild relatives. Texas Res. Found. Texas.         [ Links ]

12. Ehlenfeldt M. K., Hanneman R. E. Jr (1988) Genetic control of endosperm balance number (EBN): three additive loci in a threshold-like system. Theor. Appl. Genet. 75:825-832.         [ Links ]

13. Erazzú L. E., Camadro E. L., Clausen A. (1999) Pollen-style compatibility relations in natural populations of Solanum spegazzinii Bitt. Euphytica 105:219-227.         [ Links ]

14. Erazzú L. E., Camadro E. L., Clausen A. M. (2009) Persistence over time, overlapping distribution and molecular indications of interspecific hybridization in wild potato populations of Northwest Argentina. Euphytica 168:249-262.         [ Links ]

15. Frankel R., Galun E. (1977) Pollination mechanisms, reproduction and plant breeding. Springer, Berlin Heidelberg New York.         [ Links ]

16. Grun P, Radlow A (1961) Evolution of barriers to crossing of self-incompatible with self-compatible species of Solanum. Heredity 16:137-143.         [ Links ]

17. Hanneman Jr. R. E. (1994) Assignment of endosperm balance numbers to the tuber-bearing Solanums and their close non-tuber-bearing relatives. Euphytica 74:19-25.         [ Links ]

18. Hawkes J. G. (1994) Origins of cultivated potatoes and species relationships. In: Bradshaw JE, Mackay GR (eds) Potato Genetics. CAB International, Oxford, UK, pp 3-42.         [ Links ]

19. Hawkes J. G., Hjerting J. P. (1969) The potatoes of Argentina, Brazil, Paraguay and Uruguay. A biosystematic study. Oxford University Press, Oxford.         [ Links ]

20. Hogenboom N. G. (1973) A model for incongruity in intimate partner relationships. Euphytica 22:219-233.         [ Links ]

21. Ispizúa V., Camadro E. L., Clausen, A. M. (1999) Pre-zygotic breeding barriers between the wild diploid potato species Solanum maglia and S. kurtzianum. Genet. Resour. Crop Evol. 46:243-249.         [ Links ]

22. Johnston S. A., den Nijs T. M., Peloquin SJ, Hanneman RE Jr (1980) The significance of genic balance to endosperm development in interspecific crosses. Theor Appl Genet 57:5-9.         [ Links ]

23. Larrosa F. H., Camadro E. L., Ispizúa V., Clausen A. M. (2005) Fertilidad de polen y polen 2n en poblaciones de papas silvestres del NO Argentino. J. Basic Appl. Genet. XVII (suppl.): 159-160.         [ Links ]

24. Larrosa F. H., Maune J. F. (ex aequo), Erazzú L. E., Camadro E. L. (2011) Meiotic abnormalities underlying male sterility in wild potato hybrids and spontaneous populations. Plant Biology (en prensa).         [ Links ]

25. MacKey J. (1970) Significance of mating systems for chromosomes and gametes in polyploids. Hereditas 66:165-176.         [ Links ]

26. Marfil C. F., Camadro E. L., Masuelli R. W. (2009) Phenotypic instability and epigenetic variability in a population of the wild potato Solanum ruiz-lealii. BMC Plant Biol. 9: 21        [ Links ]

27. Masuelli, R. W.; Camadro, E. L. (1997) Crossability relationships among wild potato species differing in ploidy and Endoperm Balance Numbers (EBN). Euphytica 94: 227-235        [ Links ]

28. Masuelli R. W., Camadro E. L., Erazzú L. E, Bedogni M. C., Marfil C. F. (2009 a) Homoploid hybridization in the origin and evolution of wild diploid potato species. Plant Syst. Evol. 277: 143-264        [ Links ]

29. Masuelli R. W., Camadro E. L., Erazzú L. E., Bedogni M. C., Marfil C. F. (2009 b). Hybridization and introgression in wild diploid potato species: role in evolution and implications on the species concept. 13th Evolutionary Biology Meeting, Marseilles, France, 22-25 de setiembre 2009.         [ Links ]

30. Raimondi J. P., Camadro E. L. (2003) Crossability relationships between the common potato, Solanum tuberosum L. ssp. tuberosum and its wild diploid relatives S. kurtzianum and S. ruiz-lealii. Genet. Resour. Crop Evol. 50: 307-314.         [ Links ]

31. Raimondi J. P., Peralta I. E., Masuelli R. W., Feingold S., Camadro E. L. (2005) Examination of the hybrid origin of the wild potato Solanum ruiz-lealii Brücher Plant Syst. Evol. 253: 33-51.         [ Links ]

32. Ross H. (1986) Potato breeding. Problems and Perspectives. Suppl. 13 to J Plant Breed. Verlag Paul Parey, Berlin and Hamburg.         [ Links ]

33. Santini M.; Camadro E. L.; Marcellán O. N.; Erazzú L. E. (2000) Agronomic characterization of diploid hybrid families derived from crosses between haploids of the common potato and three wild argentinian tuber-bearing species. Am. J. Potato Res. 77: 211-218.         [ Links ]

34. Ugent D. (1966) Hybrid weed complexes in Solanum section Tuberarium. PhD thesis, University of Wisconsin, Madison.         [ Links ]

Received: 26/08/2010
Accepted: 29/08/2011