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MUTACIÓN

La definición que dio De Vries (1901) de la mutación era la de cualquier cambio heredable en el material hereditario que no se puede explicar mediante segregación o recombinación.

La definición de mutación a partir del conocimiento de que el material hereditario es el ADN y de la propuesta de la Doble Hélice para explicar la estructura del material hereditario (Watson y Crick,1953), sería que una mutación es cualquier cambio en la secuencia de nucleótidos del ADN.

La mutación es la fuente primaria de variabilidad genética en las poblaciones, mientras que la recombinación al crear nuevas combinaciones a partir de las generadas por la mutación, es la fuente secundaria de variabilidad genética.

MUTACIÓN SOMÁTICA Y MUTACIÓN EN LA LÍNEA GERMINAL

Mutación somática: afecta a las células somáticas del individuo. Como consecuencia aparecen individuos mosaico que poseen dos líneas celulares diferentes con distinto genotipo. Una vez que una célula sufre una mutación, todas las células que derivan de ella por divisiones mitóticas heredarán la mutación (herencia celular). Un individuo mosaico originado por una mutación somática posee un grupo de células con un genotipo diferente al resto, cuanto antes se haya dado la mutación en el desarrollo del individuo mayor será la proporción de células con distinto genotipo. En el supuesto de que la mutación se hubiera dado después de la primera división del cigoto (en estado de dos células), la mitad de las células del individuo adulto tendrían un genotipo y la otra mitad otro distinto. Las mutaciones que afectan solamente a las células de la línea somática no se transmiten a la siguiente generación.

Mutaciones en la línea germinal: afectan a las células productoras de gametos apareciendo gametos con mutaciones. Estas mutaciones se transmiten a la siguiente generación y tienen un mayor importancia desde el punto de vista evolutivo.

NIVELES MUTACIONALES

Es una clasificación de las mutaciones basada en la cantidad de material hereditario afectado por la mutación:

Mutación génica: mutación que afecta a un solo gen.

Mutación: cromosómica: mutación que afecta a un segmento cromosómico que incluye varios genes. Puede dar origen a cambios cromosómicos estructurales.

Mutación genómica: mutación que afecta a cromosomas completos (por exceso o por defecto) o a juegos cromosómicos completos. Puede dar origen a cambios cromosómicosnuméricos.

MUTACIÓN ESPONTÁNEA E INDUCIDA

Mutación espontánea: se produce de forma natural o normal en los individuos.

Mutación inducida: se produce como consecuencia de la exposición a agentes mutagénicos químicos o físicos.

MUTACIONES GÉNICAS

Sustituciones de bases: cambio o sustitución de una base por otra en el ADN.

Transiciones: cambio de una purina (Pu) por otra purina, o bien cambio de una pirimidina (Pi) por otra pirimida.

Transversiones: cambio de una purina (Pu) por una pirimidina (Pi) o cambio de una pirimidina (Pi) por una purina (Pu).

Inserciones o adiciones y deleciones de nucleótidos: se trata de ganancias de uno o más nucleótidos (inserciones o adiciones) y de pérdidas de uno o más nucleótidos (deleciones). Tienen como consecuencia cambios en el cuadro o pauta de lectura cuando el número de nucleótidos ganado o perdido no es múltiplos de tres.

Duplicaciones: consiste en la repetición de un segmento de ADN del interior de un gen.

Inversiones: un segmento de ADN del interior de un gen se invierte, para ello es necesario que se produzcan dos giros de 180º , uno para invertir la secuencia y otro para mantener la polaridad del ADN.

Transposiciones: un segmento de un gen cambia de posición para estar en otro lugar distinto del mismo gen o en otro lugar del genoma.

TIPOS DE MUTACIONES GÉNICAS

En la siguiente tabla se resumen algunos tipos de mutaciones génicas en el ADN y en sus consecuencias en las proteínas.

Es importante aclarar el concepto de mutación silenciosa, una mutación silenciosa es cualquier alteración en la secuencia de nucleótidos del ADN que no produce cambio en el fenotipo estudiado. Imaginemos que la característica externa o fenotipo analizado es simplemente la función de un enzima, es evidente que existen mutaciones en la secuencia de nucleótidos del ADN que no producen cambios en la secuencia de aminoácidos, pero también hay mutaciones en el ADN que producen cambios en la secuencia de aminoácidos que no alteran la función del enzima analizado. Ambas tipos de mutaciones son silenciosas, ya que ninguna altera la función del enzima.

MUTACIONES ESPONTÁNEAS

Las principales causas de las mutaciones que se producen de forma natural o normal en las poblaciones son tres:

Errores durante la replicación.
Lesiones o daños fortuitos en el ADN.
Los elementos genéticos transponibles.

MUTAGÉNESIS INDUCIDA

Existen diferentes agentes físicos y químicos que producen mutaciones en el ADN. Durante los primeros tiempos de la Genética (1900 a 1930) los investigadores trataron de producir artificialmente mutaciones sin conseguirlo, hasta que Muller en 1927 y Stadler en 1928 demostraron los efectos mutagénicos de los rayos X en Drosophila, maíz y cebada.

H. J. Muller recibió el Premio Nobel en 1946 por su descubrimiento de la inducción de mutaciones mediante radiación con rayos X.


H. J. Muller	Stadler

Entre los agentes físicos que producen mutaciones, están las radiaciones ionizantes (por ejemplo los Rayos X) y las radiaciones no ionizantes (la luz ultravioleta).

Las radiaciones ionizantes producen los siguientes efectos a nivel celular:

Efectos genéticos: alteraciones en los genes.

Efectos citogenéticos: alteraciones en los cromosomas: roturas cromosómicas y translocaciones.

Efectos fisiológicos: alteraciones en las enzimas y hormonas.

Posteriormente, se demostró que otros agentes físicos y químicos producían mutaciones.

ESPECIFICIDAD MUTACIONAL

La especificidad mutacional significa que muchos agentes mutágenos tienden a producir un determinado tipo de mutación, por ejemplo:

Etilmetanosulfonato (EMS): produce fundamentalmente transiciones GC?AT.

Nitrosoguanidina (NG): produce esencialmente transversiones GC?TA.

Luz ultravioleta (UV): produce transiciones y transversiones.

CAMBIOS CROMOSÓMICOS NUMÉRICOS

Poliploidía

Un individuo se dice diploide cuando en sus células somáticas están presentes 2 juegos idénticos de x cromosomas cada uno, de forma que cada uno de dichos x cromosomas son todos diferentes entre sí. Al conjunto de los x cromosomas, se les denomina genomio y número básico al de cromosomas que lo forman o sea x. Por tanto, una célula, tejido u órgano es diploide cuando sus núcleos poseen los 2x cromosomas (autosomas) típicos del individuo a que pertenecen.

Un individuo que contiene en sus células somáticas la mitad de los cromosomas pertenecientes a su especie se llama monoploide o haploide.

Cuando la dotación cromosómica normal de un individuo está compuesta por varios genomios o juegos completos de cromosomas se dice que es un poliploide. Si los genomios son iguales, el poliploide es unautopoliploide y se lo denomina autotriploide, autotetraploide, autopentaploide, n-ploide según que sus células somáticas tengan 3, 4, 5 ó n juegos idénticos de cromosomas. Sus números cromosómicos serán , por tanto 3x, 4x, 5x, nx, siendo x el número básico antes definido.

Si los genomios que componen la dotación cromosómica del poliploide no son iguales, entonces se llama aloploide. El aloploide reúne en su complemento cromosómico los de dos o más especies diploides. Si una especie aloploide está formada por dos genomios distintos, se llama alotetraploide(G₁G₁G₂G₂), si son tres lo genomios, se trata de un alohexaploide (G₁G₁G₂G₂G₃G₃ ), etc.

La poliploidía es muy común en plantas, especialmente en angiospermas, Actualmente, se piensa que entre el 30 y el 70% de las Angiospermas son poliploides. Se sabe que las herbáceas perennes muestran mayor porcentaje de formas poliploides que las anuales y éstas menos que las leñosas aunque las herbáceas perennes y las leñosas se comportan de diferente manera en las regiones tropicales.

Planta	Nº cromosómico básico	Número cromosómico	Nivel de ploidía.
avena	7	42	6x
cacahuete	10	40	4x
caña de azúcar	10	80	8x
banana	11	22,33	2x,3x
patata	12	48	4x
tabaco	12	48	4x
algodón	13	52	4x
manzana	17	34,51	2x,3x

¿Cómo se pueden obtener formas poliploides en plantas?...

1.- Regeneración de tejidos:

Cuando se producen tejidos u órganos a partir de un callo de cicatrización producido por una herida puede ocurrir que sean poliploides. La herida en sí no es la causa de la poliploidización sino que la regeneración se hace a partir de células que ya son poliploides como consecuencia de fenómenos de endopoliploidía (endomitosis o endorreduplicación). Las Solanáceas responden bien a este tratamiento experimental.

2.- Choques térmicos:

La aplicación de un choque térmico que afecte a las primeras divisiones del embrión puede producir poliploidía total o parcial.

3.- Sustancias químicas:

La sustancia por excelencia utilizada para inducir la poliploidía es la colchicina. Es un alcaloide que se encuentra en las semillas y en los bulbos de Colchicum autummnale L. La colchicina afecta a las células en división de tal forma que a la separación de las cromátidas de cada cromosoma no sigue la migración de las mismas hacia los polos opuestos porque el efecto de la misma es inhibir la formación del huso acromático. Al no haber movimiento de las cromátidas a los polos no se establecen las corrientes citoplásmicas que determina la formación de la membrana celular que se formará entre las dos células hijas; por tanto la mitosis que se produce bajo la influencia de la colchicina se denomina c-mitosis dando lugar a la duplicación del complemento cromosómico completo. La colchicina se puede aplicar a semillas en germinación, plántulas o plantas adultas.

La figura que aparece a continuación muestra la aplicación de colchicina en las yemas caulinares con el objeto de poliploidizar el meristemo.

En la siguiente figura se observa cómo se pueden producir dos células tetraploides a partir de una diploide por acción de la colchicina.

Identificación de los poliploides

La identificación inequívoca de los poliploides debe realizarse mediante el análisis cromosómico de los mismos aunque, existen características morfológicas, citológicas y fisiológicas que concurren en la identificación de los mismos.

Entre las características morfológicas más sobresaliente cabe citar las formas gigas (gigantismo) llamadas así porque todos los órganos de la planta aumentan de tamaño así como el color de las hojas que aparece más oscuro. Una característica importante de las formas gigas, si se las compara con las diploides de las que derivan es que el tamaño de sus estomas es mayor pero el número de ellos es menor. Desde el punto de vista fisiológico, se ha observado que la velocidad de desarrollo de las formas gigas es menor que la de los diploides.

Origen y meiosis de los autopoliploides

La poliploidía puede aparecer espontáneamente como consecuencia de fallos en la meiosis que conducen a la formación de gametos no reducidos, por la fecundación de un óvulo por dos gametos masculinos, por la formación de quimeras o mosaicos poliploides que, afectando a la línea germinal, dan origen a gametos poliploides, por duplicación cromosómica de un diploide o por hibridación esto es el cruzamiento entre dos especies de plantas seguida de un proceso de diplodización y evolución del híbrido que conduce a la formación de una nueva especie. Ambos mecanismos, fallos en la meiosis e hibridación son comunes en plantas pero no en animales debido a que las plantas (en su mayoría) carecen de cromosomas sexuales, toleran mejor que los animales los desbalances genéticos y se pueden propagar vegetativamente.

Un autotriploide puede surgir de la fusión de una gameta haploide (n) con una gameta no reducida y por tanto 2n. El cigoto será 3n. Los triploides puede también originarse a partir de un cruzamiento en el que uno de los padres es diploide (y por ende produce gametos, n) y el otro es tetraploide (produce gametas 2n). La meiosis de los autotriploides origina gametas desbalanceadas debido a la presencia de un set cromosómico adicional razón por la cual estos autopoliploides son estériles y se propagan vegetativamente. Ejemplos de autotriplodes lo constituye la banana ( Musa), la sandía sin semilla, etc.

La sandía sin semilla resulta del cruzamiento entre un parental femenino tetraploide (4n) productor de la semilla y de óvulos 2n con una planta masculina (diploide 2n) productora de polen. Las plantas tetraploides se obtienen mediante tratamiento de yemas terminales de plantas diploides con colchicina produciéndose la duplicación de los cromosomas. El polen haploide (n) procedente de las flores masculinas de la planta diploide (2n) fertiliza a la ovocélula diploide (2n) dentro del ovario de la flor femenina del parental tetraploide (4n) dando origen a un cigoto (3n) que se desarrollará en un embrión dentro de la semilla. La siembra de esta semilla dará origen a plantas que producirán sandías triploide (3n). En el siguiente gráfico se muestra el cruzamiento que da origen a la planta de sandía triploide.

La semilla triploide germinará y dará origen a una planta que formará flores masculinas y femeninas triploides que no producirán granos de polen y óvocélula viables debido a que poseen tres juegos cromosómicos y uno de los juegos no podrá aparear durante la meiosis. Por tanto no se producirá fertilización. Cuando el agricultor compra semilla de sandía, compra dos clases semillas; una procedente de la planta diploide fértil y otra procedente de la planta triploide estéril. Estas últimas son más largas y, ambos tipos de semilla se plantan en la vecindad. Las flores masculinas de la planta diploide proporcionarán polen haploide el cual polinizará (pero no fertilizará) la planta triploide. La polinización en sí, induce el desarrollo del fruto sin que exista fertilización, por tanto la sandía sin semilla es un fruto sin semilla.

Los autotetraploides se originan como consecuencia de la duplicación cromosómica de un diploide. Esto puede ocurrir de forma natural durante el ciclo de vida de la planta o bien mediante la aplicación de calor, frío ó de alguna sustancia que actúan sobre el huso acromático como es la colchicina. En la figura que aparece a continuación puede observarse la formación de un autotetraploide a partir de una planta diploide que ha formado gametas sin reducir. El cigoto tetraploide es producto de la autofecundación de las gametas no reducidas formadas por el parental diploide. Los autotetraploides son fértiles porque –salvo raras excepciones- ésto es cuando no están completamente diploidizados- las meiosis son regulares y producen gametos balanceados. Ejemplos de autotetraploide son entre otros la alfalfa, la patata, el algodón, el café, elcacahuete, etc.

Alopoliploides

Como se dijo anteriormente, la hibridación (cruzamiento entre dos especies) seguida de duplicación del híbrido estéril es una forma de especiación. Los aloploliploides reúnen en sus genoma los genomios de al menos dos especies diferentes (G₁G₁G₂G₂ ).

Uno de los objetivos de la mejora ha sido el desarrollo de alopoliploides que poseyeran caracteres nuevos que no estuvieran presentes en otras especies. Entre los alopoliploides que más éxito ha tenido se halla el Triticale que resultó de la polinización del trigo (Triticum aestivum, 2n = 6x = 42 cromosomas) con centeno ( Secale cereale, 2n = 2x = 14 cromosomas). Trigo y centeno son dos especies relacionadas (pertenecen a la misma tribu, Triticinae). El objetivo del experimento era sintetizar un híbrido que poseyera las buenas cualidades productivas del trigo con la rusticidad del centeno obteniéndose un cereal, el Triticale con un número cromosómico de 2n = 6x = 42 ó 2n= 8x = 56 cromosomas. Volveremos luego para comprobar cómo se obtuvo el Triticale.

Especiación del trigo (Triticum aestivum):

El trigo ha jugado un papel importante en el desarrollo de la civilización mundial. La domesticación del trigo ha sido uno de los hechos más importantes que ha ocurrido ya que permitió que el hombre del Neolítico dejara de ser nómade (cazador-recolector) para asentarse en un sitio determinado. Ahora veremos cómo se sintetizó el trigo, alopoliploide que ha llegado hasta nuestros días.

Tigo y centeno se cruzan para producer el híbrido Triticale

A. Espiga de trigo panadero (Triticum aestivum);

B. Espiga de centeno (Secale cereale);

C. Triticale (Triticale).

El trigo duro T. turgidum var durum deriva del trigo salvaje emmer de Siria. Este trigo también era tetraploide y provenía del diploide einkorn T.monococcum (2n = 2x = 14 cromosomas, AA) y de A. speltoides (2n = 2x = 14 cromosomas, BB). El híbrido estéril a través de una duplicación natural de sus cromosomas se transformó en tetraploide. Una mutación en este material produjo que las glumas se separaran con facilidad del grano. Así T. turgidum var durum (se trata del trigo con el que hacen los diferentes tipos de pasta) es un derivado del emmer en que se aprecia la fácil separación del grano de la paja.

El trigo tetraploide contiene dos proteínas que combinan bien para formar un complejo que se conoce como glúten. Es debido al gluten que la harina de trigo cuando se mezcla con agua y se amasa y luego se agrega la levadura se levanta y forma barras de ó bollos de pan firme. Las levaduras en la masa fermentan liberando CO₂ que queda atrapado en la masa glutinosa y proteica. El horneado de la masa seca el almidón y denaturaliza el gluten. Cuando la masa se cocina, el CO₂ se expande en grandes burbujas y, ésta es la razón por la que el pan es poroso y su textura esponjosa. El maíz no puede producir una buena masa para pan porque carece de gliadinas una de las dos proteínas del glúten. Por esta razón el pan hecho con harina de maíz se rompe con facilidad.

Dos lonchas de pan hechas con maíz (izquierda) y con trigo (derecha).El pan de maíz no forma una masa firme porque carece de gliadinas

Otro ejemplo de aloploide lo constituyen las diferentes variedades de Brassica.

Brassica oleracea presenta una amplia gama de variedades y pude formar híbridos interespecíficos.

Las variedades de Brassica oleracea (2n = 2x =18) son muy diferentes. Entre ellas destacan: el repollo, la coliflor, el brócoli,las coles de Bruselas, etc. Un híbrido entre dos de ellas se puede apreciar en la siguiente figura:

A. Broccoli, B. Brocoflor and C. Coliflor. Broccoflower (B) es un híbrido entre brócoli (A) y coliflor.(C). En los tres casos se come la inflorescencia inmadura y, en el caso del brócoli también se come el pedúnculo central de la inflorescencia.

En 1928 se realizó un cruzamiento interespecífico entre el rábano (Raphanus sativus n = 9) que presenta una gama importante de variedades y cuyas raíces pueden ser rojas o blancas con la col (Brassica n = 9). El híbrido interespecífico Raphanobrassica poseía dos juegos cromosómico de 9 cromosomas cada uno procedente de cada uno de los parentales (R y C respectivamente) y era estéril ya que los cromosomas, por no ser totalmente homólogos, no podían aparear en la meiosis. La diploidización del híbrido estéril (RC) con colchicina originó un alotetraploide fértil (RRCC) que produjo gametas y semillas viables ya que existían en el mismo dos juegos cromosómicos R y dos C cuyos cromosomas podían aparear entre sí. Esta planta desafortunadamente tenía las hojas del rábano y las raíces de la col.

Raphanus sativus

Haplodía

Los haploides poseen sólo un juego de cromosomas (n = 1) y es el mismo que el de las gametas (ovocélula ó polen). Los haploides pueden diferenciarse de los diploides usando marcadores moleculares que estén ligados a un carácter de interés o bien pueden diferenciarse por sus características físicas. Se utilizan en mejora para obtener líneas puras que sean homocigóticas. La obtención de líneas puras pasa por tratar las regiones meristemáticas del haploide con colchicina con el objeto de duplicar el número cromosómico.

Los dobles haploides tienen dos juegos de cromosomas idénticos a los del haploide y pueden formar ovocélulas y granos de polen viables.

La cebada. el centeno, el sorgo, el arroz, el maíz, el algodón., la alfalfa, la Festuca, el tabaco, el girasol, etc. El éxito en la obtención de haploides depende de muchos factores. Los tres factores más importantes son: el genotipo de la planta que se utilizará como donante y a partir de la cual de desea obtener haploides, las condiciones de cultivo de la planta (fotoperíodo, intensidad de luz, temperatura), así como el medio de cultivo utilizado. Para tener posibilidades de obtener haploides la planta debe ser sana y vigorosa.

Ventajas de la Haploidía.

La utilización de haploides en programas de mejora acelera la obtención de la nueva variedad porque se llega más rápidamente a la homocigosis ya que se obtienen doble haploide en pocos años luego de multiplicar los genotipos diploides homocigóticos derivados del tratamiento con colchicina de haploides seleccionados. Por regla general se necesitan más de cinco generaciones de autofecundación para llegar a la homocigosis ( el numero de años depende del tipo de cultivo de que se trate, del número de caracteres que se quieren mejorar , etc) En cebada, los mejoradotes utilizan el método del pedigree y suelen tardar alrededor de siete años para tener listo una determinada variedad para el mercado. Si se emplean haploides este tiempo puede reducirse a dos años.

En los haploides es más fácil distinguir los genotipos recesivos. La haploidía también puede utilizarse para obtener plantas masculinas o femeninas a partir de una planta dioica como el espárrago.

Desventajas de la Haploidía:

Una de las desventajas de la haploidía es que las variedades responden diferentemente al medio de cultivo. Así, el medio que es adecuada para muchas de ellas puede matar a otras. La respuesta a la colchicina también varía dentro de una misma variedad.

Se observa también que, algunos caracteres como albinismo suelen fijarse utilizando el método de los dobles haploides. Aparte, el empleo de doble haploides en programas de mejora es muy caro. Sin embargo los beneficios exceden los costes de producción. En la figura pueden verse una planta albina entre dos normales.

Producción de haploides:

Los haploides pueden apareces de forma natural como son aquellos que surgen de procesos de partenogénesis o bien mediante cualesquiera de los procesos que se citan a continuación:

            1.- Eliminación cromosómica
            2.- Cultivo de Antera.
            3.- Cultivo de Microsporas.

1.-Eliminación cromosómica.

La eliminación cromosómica se ha utilizado en cebada. Para ello se cruza Hordeum vulgare como parental femenino con Hordeum bulbosum como parental masculino. Como se trata de un cruce interespecífico la formación de semilla es escasa. No obstante algunas se obtienen. En los días subsiguientes se aplican hormonas para facilitar que los embriones formados se divida pero debido a la falta de apareamiento entre los cromosomas de las dos especies los cromosomas de bulbosum son eliminados quedando sólo en los embriones haploides los cromosomas de vulgare. Transcurrido unos días los embriones haploides se pasan a medio conteniendo ágar y nutrientes y posteriormente a tierra para que afiancen. El tratamiento con colchicina para diploidizarlos se hace posteriormente.

Recolección del polen de cebada.

Semillas haploides de cebada iniciando su desarrollo.

Plántulas de cebada tratadas con colchicina.

2.- Cultivo de Anteras.

Esta técnica consiste en el cultivo de anteras sobre un medio especial con la finalidad de obtener plántulas haploides.

Esta técnica fue descubierta en 1964 por Guha and Maheshwari. Se puede emplear en aproximadamente unas 200 especies entre las que se citan: tomate, arroz, tabaco, cebada y geranio Las ventajas que presenta la utilización de esta técnica son entre otras las siguientes:

Técnica relativamente simple.
Fácil de inducir divisiones celulares en las células inmaduras que darán lugar al polen. Una proporción importante de anteras usadas en cultivo de tejido responden a esta metodología. I
Se puede obtener un número grande de haploides de forma rápida.

Entre las desventajas que suelen citarse se cuentan las siguientes.

En algunas especies la mayoría de las plantas obtenidas no son haploides.
En cereales se obtienen muy pocas plantas normales (con clorofila). La mayoría de ellas son albinas o quimeras (albina-normnal).
Es tediosos remover las anteras sin dañarlas.

3.- Cultivo de Microsporas.

Las microsporas son granos de polen inmaduros. Para obtenerlas se procede a la esterilización superficial de botones florales cerrados. Posteriormente se los homogeniza con un buffer especial para que liberen las microsporas, se filtra y se centrifuga para obtener un pellet que contiene las microsporas las que se resuspenden en medio de cultivo. Las microsporas e cuentan al microscopio utilizando un citómetro para saber cuántas microsporas se hallan por campo. Se plaquea a una densidad de 100.000 células/ ml. El cultivo de microsporas se incuba durante un mes en oscuridad para inducir mitosis. Muchos métodos de cultivo de microsporas utilizan un tratamiento con calor para sincronizar las mitosis .Por tanto, estas células se comportan como si fueran ovocélulas y desarrollan embriones. La técnica de cultivo de microsporas es muy eficiente, a punto tal que se producen miles de plantas al mismo tiempo haciéndose casi imposible para los mejoradotes manejarlas.