resistencia genética. fuentes de diversidad de los patógenos

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Resistencia genResistencia genéética.tica.Fuentes de diversidad de Fuentes de diversidad de

los patlos patóógenos.genos.Control genControl genéético.tico.

Curso de FitopatologíaNoviembre 2011

Ing. Agr. (MSc) Vivienne Gepp

Pregunta inicial:

• Inoculo cada una de 100 plantas de trigo con 100 esporas de la roya de la hoja del trigo.

• ¿Aparecerán 100 pústulas en cada planta?

• ¿Todas las pústulas aparecerán simultáneamente y tendrán el mismo tamaño?

Complejo causal de la enfermedad.

Huésped

Patógeno

Ambiente

Enfermedad

RESISTENCIA GENÉTICA:

= interferencia y/o reducción del crecimiento o desarrollo del patógeno que es provocada por la planta.

Tipos de resistencia: – Resistencia del no huésped

• No induce germinación / nacimiento (inóculo)• No encontrar estomas• No infectar

– Resistencia genética a un patógeno de esa especie vegetal

RESISTENCIA SUSCEPTIBILIDAD

RESISTENCIA GENÉTICA:

= interferencia y/o reducción del crecimiento o desarrollo del patógeno que es provocada por la planta.

La resistencia genética no es absoluta →niveles de resistencia

Conceptos relacionados

Tolerancia Tolerancia = crecimiento y desarrollo del patógeno pero < menor efecto nocivo en la planta o cultivo.

Evasión o escape ≠ resistencia

Resistencia adquirida

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¿Cómo interactúan la planta con el patógeno?

Mecanismos de defensa↑

Genotipo de la planta

Mecanismos de patogenicidad

↑Genotipo del patógeno

Huésped ↔ PatógenoEspecie

Especie

Cultivar

Individuo (planta)

Genotipo del huésped

Especie

Forma especial / patovar

Raza

Individuo (espora)

Genotipo del patógeno

BiotipoPatotipo

Conceptos fundamentales:

Dentro de la ESPECIE PATÓGENA

pueden existir RAZAS con diferentes

VIRULENCIAS

Razas virulentas hacia determinados

genes de resistencia.

¿Cómo saber si existe resistencia?

• Comparar con otro cv. más susceptible• Investigación – huéspedes diferenciales

Se estudia el control de dos virus de la papa: PVY y PVX. El PVY es transmitido por pulgones en forma no persistente. El PVX no tiene vectores y es transmitido por contacto entre las plantas en el cultivo.Se estudió el comportamiento de tres variedades de papa en dos zonas. Se plantaron 1000 tubérculos por cultivar en cada localidad y los resultados obtenidos se muestran en el cuadro siguiente.En cada parcela se plantaron al azar 1% de tubérculos infectados con ambos virus provenientes de las zonas en las que se investigaba.

% de infección de plantas a la cosecha Localidad Cultivar PVY PVX Localidad Cultivar PVY PVXSAN A 80 28 MAR A 20 1 JOSE B 20 26 DEL B 5 30

C 40 1 PLATA C 10 28

¿Cuáles de las variedades presentan resistencia a PVY y/o PVX?

¿A que puede deberse la diferencia en infección por PVY entre las localidades? Fundamente.

Especies y formas especiales de las royas de los cereales

Cebadahordei

TrigotriticiP. striiformis

TrigoP. triticinaAvenaavenaeCenteno y cebadasecalis

Trigo y cebadatriticiPuccinia graminis

Forma especial

Especie

HUÉSPED PRINCIPAL

PATÓGENO

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¿Cómo saber si existe resistencia?

• Comparar con otro cv. más susceptible• Investigación – huéspedes diferenciales

¿Cómo se ve la resistencia?• Ausencia de infección• Diferente síntoma (Fenotipo de

infección)• Menor desarrollo de infecciones

Fenotipo de infección

• Depende de la interacción huésped –patógeno

• Característico de cada sistema huésped –patógeno

Tipos de infecciTipos de infeccióón de roya n de roya (en pl(en pláántula)ntula)

Fuente:Fuente:SinghSingh, , 20032003

Fenotipos de infección de Cochliobolussativus en cebada (Fetch and

Steffenson, 1999)

Caracterización fenotípica de diferentes niveles de resistencia

• Biotrofos: mancha necrótico es una respuesta del huésped que confiere resistencia.

• No biotrofos: halo clorótico o necrótico puede ser parte del síntoma y no significar resistencia genética.

El grado de expresión fenotípica de la resistencia depende de:

1. El alelo de resistencia (resistencia completa-incompleta)

2. La base genética en que se encuentra el alelo de resistencia

3. El genotipo del patógeno (homo- o heterocigota para avirulencia)

4. Estado de desarrollo de la planta5. Condiciones ambientales (ej.

temperatura alta o baja)

4

CARACTERIZACIÓN FENOTÍPICADE DIFERENTES NIVELES

DE RESISTENCIA GENÉTICA

SISTEMA HUÉSPED-PARÁSITO

BIÓTROFOS

Tipos de infección (T.I.) producidos por Puccinia triticina en trigo

Susceptible (S): pústulas grandes sin tejido muerto

4

Moderadamente susceptible (MS): pústulas medianas sin tejido muerto

3

Moderadamente resistente (MR): pústulas chicas-medianas con algo de tejido muerto

2

Resistente (R): pústulas muy chicas rodeadas de tejido muerto

1

Inmune: sin pústulas0CARACTERIZACIONT.I.

Tipos de infecciTipos de infeccióón en pln en pláántulantula

Fuente:Fuente:SinghSingh, , 200320030 ; 1 2 X 3 40 ; 1 2 X 3 4

R: 0R: 0--22S: 3S: 3--44

CARACTERIZACIÓN FENOTÍPICADE DIFERENTES NIVELES

DE RESISTENCIA GENÉTICA

SISTEMA HUÉSPED-PARÁSITO

NO BIÓTROFOS

Mancha borrosa en trigo. Respuestas a la infección de Cochliobolus sativus

Fenotipos de infección de Cochliobolus sativusen cebada (Fetch and Steffenson, 1999)

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Caracterización fenotípica de diferentes niveles de resistencia

• Biotrofos: mancha necrótico es una respuesta del huésped que confiere resistencia.

• No biotrofos: halo clorótico o necrótico puede ser parte del síntoma y no significa resistencia genética.

El grado de expresión fenotípica de la resistencia depende de:

1. El alelo de resistencia (resistencia completa-incompleta)

2. La base genética en que se encuentra el alelo de resistencia

3. El genotipo del patógeno (homo- o heterocigota para avirulencia)

4. Estado de desarrollo de la planta5. Condiciones ambientales (ej.

temperatura alta o baja)

Caracterización de la resistencia genética

Criterios para categorizar resistencias

1. Número de genes involucrados

2. Magnitud del efecto de cada gen

3. Especificidad frente a razas

4. Duración en el tiempo

1. Número de genes involucrados:

• 1 = monogénica

• Pocos = oligogénica

• Varios = poligénica

• ¿Cuál será más facil de vencer (desarrollar virulencia)?

N° de genes y razas reconocidos

Muchas14Magnaporhe griseaArroz

Muchas40Puccinia coronataAvena

Muchas> 20Puccinia hordeiCebada

Muchas20Blumeria graminisf.sp. hordei

Cebada

Muchas11Phytophthorainfestans

Papa

Muchas> 16Bremia lactucaeLechuga

N° razasN° genes RPatógenoCultivo

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2. Magnitud del efecto

Resistencia cualitativa:• Fuerte interacción huésped-parásito →– Reacción compatible (enfermedad)– Reacción incompatible (sano)

Resistencia cuantitativa


Resistencia cualitativa:Resistencia cuantitativa: ≠ cv susceptibles muestran ≠ grados de infección

• A campo se observa luego de varios ciclos de infección en las cuales se acumularon pequeñas ≠ en crecimiento y reproducción del patógeno


Resistencia cualitativa:Resistencia cuantitativa:

Resistencia parcial – menor desarrollo de epidemia por:

> período de latencia< frecuencia de infección< N° de esporas o de infecciones< crecimiento de lesión






Teoría de gen por gen (o teorá de Flor)

• Flor (1942) llegó a la conclusión que por cada gen determinante de resistencia en el huésped, existe un gen de virulencia correspondiente en el patógeno.

• 26 genes (alelos) de resistencia en el lino – 26 genes (alelos) de virulencia en la roya (Melampsora lini).

¿Existen los alelos de virulencia?

• La planta que tiene el alelo de resistencia (R) reconoce algo derivado del gen de avirulencia (Av) en el patógeno y esto desencadena la reacción de defensa.

• Hipótesis:Gen R → Proteína R → reconoce →

Proteína Av ← Gen Av

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Teoría de gen por gen (2)

• Por cada gen de avirulencia en el patógeno existe un gen de resistencia en el huésped cuya interacción deriva la activación de mecanismos de defensa.

• Un gen de resistencia sólo es efectivo si el patógeno que intenta infectar posee el correspondiente alelo de avirulencia.

• Los alelos de virulencia no activan resistencia en el huésped.

Especificidad frente a razas

• La especificidad se da entre el alelo de resistencia y el alelo de avirulencia

• El alelo de resistencia reconoce las razas que poseen el alelo complementario de avirulencia.

PATOGENO

r r R -

a a

HUESPED

s

s s

RA A

HUÉSPED: GENES DE RESISTENCIA

CARÁCTER DOMINANTE

PATÓGENO: GENES DE VIRULENCIA

CARÁCTER RECESIVO

En muchos casos:EJEMPLOS DE INTERACCIÓN GEN POR GEN

ROYAS Linum - Melampsora liniZea – Puccinia sorghiTriticum – Puccinia reconditaAvena – Puccinia graminis avenaeHelianthus – Puccinia helianthiCoffea – Hemileia vastatrix

CARBONES Avena – Ustilago avenaeHordeum – Ustilago hordei

OTROS HONGOS Malus – Venturia inaequalisSolanum – Phytophthora infestansLycopersicon – Cladosporium fulvum

NEMÁTODOS Solanum – Heterodera rostochiensis

INSECTOS Triticum – Mayetolia destructor

BACTERIAS Gossypium – Xhantomonas malvacearumLeguminosae - Rhizobium

VIRUS Lycopersicon - TMVSolanum – Virus X de la papa

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R1 _ R2 _ r1r1 r2r2

A1_ A2_

a1a1 a2a2

R1 _ r2r2

A1_ a2a2

R R S

R R S

S S S

Con dos loci especificos y complementarios

R1 _ R2 _ r1r1 r2r2

A1_ A2_

a1a1 a2a2

R1 _ r2r2

A1_ a2a2

- - +

- - +

+ + +

Con dos loci especificos y complementarios

Especificidad frente a razas

• La especificidad se da entre el alelo de resistencia y el alelo de avirulencia

• El alelo reconoce las razas que poseen el alelo complementario de avirulencia.

Espectro de virulencia

• De una raza del patógeno

• Se determina inoculando un conjunto de huéspedes diferenciales (con ≠ genes R)

Espectro de virulencia

Pa-7Pa-2+Pa-6Pa-2+Pa-5Pa-4Pa-3Pa-2Pa-1-Gen

+--+++Bolivia

22AGB828131.2.1Cv.

-

++-+-+

--+--C. Capa

-++++Quinn++-++Gold-++--Ribari-++++Peruvian+-+++Sudan+++++Sultan

Aislamientos de P. hordeiCebada

Tipos de infección de genotipos de cebada infectadas con dos aislamientos de Cochliobolus sativus, inductor

de la mancha borrosa.

824

183

122

991

Aislamiento BAislamiento ACULTIVAR

8 virulento2 avirulento

1 avirulento8 virulento

1 avirulento2 avirulento

9 virulento9 virulento

9

RESISTENCIA ESPECÍFICARAZAS

CV 1 2 3 4 5

A + - + + +

B + + - + -

C - + + + +

D - - - - +

E + + + + +

Resistencia vertical

• Resistencia raza específica, cualitativa →reacción compatible (+) o incompatible (-)

• Pocos genes involucrados

• Normalmente a través de reacción de hipersensibilidad – actúa en etapa inicial de infección

0

0.4

1

0 1 2 3 1,2 1,3 1,4 2,3 1,2,3

Razas de Phytophtora infestans

RESISTENCIA R1

Resistencia de un cultivar de papa a Phytophtora infestans

RESISTENCIA VERTICALO RAZA-ESPECÍFICA

RESISTENCIA HORIZONTAL

¿EXISTE RESISTENCIAINESPECÍFICA?

Cebada – Puccinia hordei

0,10,20,60,50,8Vada0,41,11,812.1*4,5Julia0,95**3,16,78,1Berac24221-21811-1Cultivar

Aislamiento

* En ausencia de especificidad sería ~ 3,2

** En ausencia de especificidad sería ~ 2

0

5

10

15

11-1 18 1-2 22 24

Ais

lam

ient

os Berac

Julia

Vada

Cebada – Puccinia hordei

0,10,20,60,50,8Vada0,41,11,83,24,5Julia0,923,16,78,1Berac24221-21811-1Cultivar

Aislamiento

Si no existiera interacción cultivar-raza:

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Resistencia parcial

• Roya de la hoja de cebada: – Esporas más pequeñas– Menor producción de esporas

• Debido a varios loci de efecto pequeño – “loci de carácter cuantitativo” = QTLs

Resistencia parcial

Puede ser:• Poligénica• Monogénica• Ambos suelen ser durables

• ¿Cuál cv es más resistente?

• Interacción diferencial

Severidad para 2 enfermedades en 3 cultivares

020406080

100

A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 B5

Patógeno A Patógeno B

Cv XCv YCv Z

• Varias clases de resistencia pueden coexistir – difíciles de categorizar

• Susceptibilidad y resistencia deben ser correctamente caracterizados para cada sistema huésped – patógeno.

Variedad de Resistencias






Duración en el tiempo

•• La resistencia genLa resistencia genéética no dura para siempre.tica no dura para siempre.

--77777Alfa-333333Bintje-777888Irene+555579Provita+-55569Spartaan+-66699Multa

Gen R199019851980197519701965Cultivar2=susceptible a 9=resistenteNivel de resistencia

Nivel de resistencia de variedades disponibles en diferentes años

Tizón tardío de la papa

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ESPECIECULTIVAR Don Alberto

Triticum aestivum

RAZASABN

Pelón 90

INTERACCIÓN HUESPED - PATOGENO

VIRULENTA

PATÓGENOP. triticina

AVIRULENTA

Cambios en la frecuencia de virulencia específica antes (A), durante (B) y luego de la incorporacióndel gen de resistencia específico .

La resistencia no se mantiene

• Resistencia durable = si se mantiene pro un período largo de tiempo durante el cual es utilizada en gran escala en un ambiente propicio al patógeno.

• No se puede prever durabilidad.• Sólo se puede determinar en forma

retroactiva.

Durabilidad

Relación con carácterísticas del patógeno.3 grupos:A. durabilidad baja y alto N° de genes R

conocidos – a menudo hongos biotrofos(royas, oidios) o hemibiotrofos, de la parte aérea, diseminados por aire o agua.

B. Alta durabilidad y bajo N° de genes R conocidos – Fusarium oxysporum, virus

C. Durable y no se conocen razas.

La resistencia no se mantiene

• ¿Por qué?

• Por la capacidad de los patógenos de variar su virulencia.

• De evitar el efecto de los genes de resistencia.

NATURALEZA DINÁMICA

Conceptos fundamentales:

• Coevolución de especies• Patogenicidad y virulencia• Mecanismos de variabilidad• Fuentes de variabilidad• Categorías taxonómicas subespecíficas:

– en vegetales – en los patógenos

• Impacto de la diversidad patogénica en la pérdida de efectividad de medidas de manejo.

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ESPECIECULTIVAR Don Alberto

Triticum aestivum

RAZASABN

Pelón 90

INTERACCIÓN HUESPED - PATOGENO

VIRULENTA

PATÓGENOP. triticina

AVIRULENTA

Coevolución en la naturaleza

Planta

¿Duración del ciclo de vida?

Patógeno

¿Duración del ciclo de vida?

¿Cuál varía más rápidamente?

• ¿Patógenos específicos – polífagos?

• ¿Biotrofos –hemibiotrofos – necrotrofos?

• ¿Existe coevolución en cultivos?

¿En qué casos habrá mayor coevolución?

Mecanismos de generación de variabilidad en hongos

1. MUTACIÓN

= cambio abrupto en el material genético heredado a la progenie.

EJEMPLO: Erysiphe graminis

1013 conidios/ha/día

10-7 tasa de mutación106 mutantes para virulencia

MutaciMutacióón como fuente de n como fuente de variabilidad variabilidad

1.1. Genera nuevos genes/Genera nuevos genes/alelosalelos2.2. Su contribuciSu contribucióón como fuente de n como fuente de

variabilidad depende de:variabilidad depende de:1.1. Tasa de mutaciTasa de mutacióónn2.2. TamaTamañño de la poblacio de la poblacióón n 3.3. Nivel de Nivel de ploidploidííaa del patdel patóógenogeno4.4. Ventaja selectiva del mutanteVentaja selectiva del mutante

Caso Puccinia striiformis - trigo

• En Australia (sin huésped alternativo):– 1 raza introducida en 1979– 11 razas en 1990

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2. RECOMBINACIÓN SEXUALCambia las combinaciones de alelos

Caso de Puccinia graminis f.sp. tritici en EEUU • Media de razas detectadas por año:

– Previo a la erradicación del agracejo: 17,5– luego de la erradicación del agracejo, en 1928: 10,2– luego de la erradicación del agracejo, en 1998: 7

y 95% de la población constituido por 3 razas.


3. RECOMBINACIÓN SOMÁTICACambia las combinaciones de alelos

Hongos que poseen gran variabilidad genética aunque la reproducción sexual no se de.

Ciclo parasexual

Mecanismos de generación de variabilidad en Hongos

4. HERENCIA CITOPLASMÁTICA- en algunos casos virulencia se hereda de línea materna (Puccinia graminis f.sp. avenae)

5. HETEROCARIOSISCoexistencia de 2 núcleos genéticamente diferentes en cada célula.Rhizoctonia solani heterocariótico más virulento que parentales haploides.

Mecanismos de generación de variabilidad en Bacterias

1. Mutación

2. Transformación

3. Transducción

4. Conjugación

Bergamin Filho, Kimati y Amorim. 1995.

Mecanismos de generación de variabilidad en Virus

• Mutación

• Recombinación genómica

FUENTES DE VARIABILIDAD1. Mecanismos de variabilidad (mutación,

etc.)2. Selección

Si un genotipo posee ventajas comparativas, se multiplica más y aumentará su proporción en la población

3. MigraciónNuevos genotipos que aparecen en un lugar

se diseminan.

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Consecuencias de la variabilidad

• Aparición e incremento de razas virulentas → pérdida de efectividad de genes de resistencia

• Aparición e incremento de razas con menor sensibilidad a plaguicidas (ej. fungicidas) → pérdida de efectividad de plaguicidas.

Factores de riesgo de pérdida de efectividad de genes R

1. Capacidad del patógeno de producir nuevas razas

2. Tamaño de la población del patógeno3. Presión de selección

Casos:a) 10.000 ha de cv con R1b) 1000 ha de cv con R1 + 9000 de cv r1 r1c) 1000 ha de cv con R1 + 1000 ha de cv con R2 + 1000 ha de cv con R3 + 1000 ha de cv con R4 + 1000 ha de cv con R5 + 1000 ha de cv con R6 + 1000 ha de cv con R7 + 1000 ha de cv con R8 + 1000 ha de cv con R9 + 1000 ha de cv con R10

HOMBRE

POTENCIALIZAR GENES

DE RESISTENCIA

MANEJO DE LOS CULTIVARES RESISTENTES

CONTROL GENCONTROL GENÉÉTICOTICO

Conceptos fundamentales

• Resistencia genética = capacidad de la planta de interferir en y/o reducir el desarrollo del patógeno en sus tejidos.

• Resistencia genética ≠ inmunidad• → resistencia no implica ausencia de

enfermedad

¿Por qué no implica ausencia de enfermedad?

• Razas del patógeno virulentas para el cv.

• Resistencia parcial

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Estrategias de mejoramiento:

• Resistencia monogénica, cualitativa?

• Resistencia monogénica, parcial?

• Resistencia poligénica, parcial?

Estrategia de utilización de genes no durables

Objetivos:

1. Dificultar la formación de raza virulenta

2. Impedir su instalación, reproducción y dispersión.

Manejo de variedades resistentes

1. Diversificación varietal (de genes R)1. En el espacio:

1. Pirámide de genes

2. Diversidad a nivel de cultivo: mezcla de cultivares, multilíneas

3. Diversidad a nivel de predio

4. Diversidad a nivel de regiones

2. En el tiempo: cultivos sucesivos

Manejo de variedades resistente

1. Diversificación varietal (de genes R)

2. Integrar resistencia genética a la estrategia de manejo (NO sustituir)

• Rotaciones

• Semilla sana

• Fecha de siembra …..

< población →< P de mutacióny < pérdidas si

aparece

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¿Diversificar genes R?

Necesidades:• Conocer los genes de los cv.• Conocer la población local de razas.• Dada la naturaleza dinámica de la

interacción →– Evaluación sanitaria periódica– Evaluación sanitaria nacional– Información actualizada y disponible para los

técnicos

Estrategias de uso de genes de resistencia para royas de cereales

y oleaginosas

1. Plan de liberación de genes R2. Múltiples genes R en un cv. 3. Rotación de cv en el tiempo y el espacio

– disminuye presión de selección 4. Ubicación regional de genes R 5. Multilíneas

VARIEDADES RESISTENTESBarrera N° 1

• No debe ser la única herramienta de manejo.

La intensidad de la enfermedad en un cultivo es el resultado de la interacción de

múltiples factores.

El manejo de la misma debería basarse en la combinación más adecuada de todas

las medidas disponibles.

MANEJO INTEGRADOPRODUCCIÓN INTEGRADA

resistencia genética. fuentes de diversidad de los patógenos

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