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 qui di seguito ne sono indicate alcune.

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 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 non-disgiunzione in prima o in seconda divisione meiotica

Meiosi relativa a un cromosoma monosomico 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 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.

GAMETOGENESI NORMALE GAMETOGENESI ALTERATA 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