Relación entre poliembrionía, apomixis y xenia en maíces poliembriónicos

Abstract

" La poliembrionía (PE) en maíz es una variante mutante natural que implica modificación en su genoma, lo cual influye en su morfología de semilla-planta, y por lo tanto puede influir en la formación y desarrollo de dos o más plantas por semilla. El Instituto Mexicano del Maíz “Dr. Mario E. Castro Gil” de la Universidad autónoma Agraria Antonio Narro” (IMM-UAAAN) ha generado dos poblaciones de alta frecuencia PE (55 a 65 %) denominadas IMM-UAAAN-BAP (enana, de alta PE) e IMM-UAAAN- NAP (porte normal, de alta PE). Actualmente, con base en estudios de análisis genético realizados en estas dos poblaciones se propone un modelo de herencia simple, por la vía de interacción génica epistática doble recesiva del tipo 15:1 en segregación F2, y de 12:4 en cruza de prueba. Además, el carácter presenta penetrancia incompleta, expresándose generalmente hasta en un 50 % de los casos. El vii

origen exacto de la PE en maíz no es del todo conocido pero en base al historial poliembriónico y triploide de estas poblaciones y los trabajos preliminares sobre conducta reproductiva atípica en maíz, se puede plantear que las poblaciones de maíz PE, pudieran poseer capacidades de reproducción asexual por semilla, en alguna modalidad de apomixis. Los objetivos de este estudio fueron: 1) determinar la relación entre apomixis y la poliembrionía en maíces IMM-UAAAN por medio de la secuenciación de una parte ADN genómico de plantas madre PE y sus progenies, y 2) estimar el efecto del grano de polen (xenia) sobre la poliembrionía mediante una serie de cruzamientos que involucra la condición PE, germoplasma exótico a la PE, y parentesco entre individuos. El material genético utilizado incluyó germoplasma de las poblaciones IMMUAAAN-BAP e IMM-UAAAN-NAP, así como de la línea S6 , AN-LCR-401-3. El establecimiento y manejo de los grupos se llevó a cabo en el ciclo P-V/2010 bajo condiciones de campo en Buenavista, Coah. Para el estudio de apomixis se obtuvieron 20 líneas S1 y 20 familias de polinización libre (PLs). Para el estudio de Xenia se obtuvieron ocho cruzas, cuatro donde la hembra fue PE, y otras cuatro donde la madre fue No-PE; los progenitores machos fueron cuatro fuentes de polen, identificados como sigue: PERE (♂ PE, genéticamente emparentado a las hembras), ♂ PENORE (♂ PE, No-emparentado), ♂ NOPERE (♂ No-PE, emparentado) y ♂ NOPENORE (♂ línea S6, No-PE y no emparentado con las hembras). Los experimentos se llevaron a cabo en dos fases: 1) la de campo e invernadero(en S1, PLs y Cruzas, así como la evaluación de plántulas); y 2) la de laboratorio para el manejo de ADN. En (1) se evaluaron las progenies de todo tipo a través de las variables germinación (GER), poliembrionía (PE) y anormalidades (DEF) en plántulas de 14 días de edad. En (2) se utilizó tejido foliar de madres e hijas para la extracción de ADN, así como la amplificación y secuenciación del mismo. La extracción y análisis de ADN se llevaron a cabo por el método CTAB, realizado en el Laboratorio de Biología Molecular de la Facultad de Ciencias viii

Químicas de la Universidad Autónoma de Coahuila (UA de C) en Saltillo, Coahuila, México. El ADN obtenido fue amplificado mediante PCR utilizando los “primers” específicos para plantas (ITS) C26A y N18L. El amplificado se mandó a secuenciar a la empresa “MacrogenUSA” en Rockville, MD. El análisis y manipulación de secuencias se realizo con ayuda del programa BioEdit 7.1.3. Se realizaron comparaciones de secuencias dentro de cada familia, planta madre- plantas hijas, así como, entre las hijas (familias de polinización libre PLs: PL2, PL4, PL5. Familias S1: S3, S5 y S7). Los resultados obtenidos en la evaluación de las progenies en invernadero mostraron una GER promedio por arriba del 90 %, condición favorable para líneas S1 y progenies PLs. La PE se ubicó en el intervalo de 55 a 68 % . En líneas S1, algunos casos alcanzaron una PE de 100 %, lo cual es poco frecuente material endogámico, observado en casos previos. Para las progenies provenientes de polinización libre, el promedio de PE estuvo en el rango de 55 a 62% lo cual está en el espectro de las poblaciones PE de origen, aunque es inusual teniendo polinizadores d todo tipo. Para el estudio de la fuente de polen (xenia) la PE fue siempre superior a 50 %, excepción hecha del cuarto tipo de apareamientos, sea ♀ PE x ♂ NOPENORE o ♀ NOPE x ♂NOPENORE, donde las progenies fueron 100 % normal, o sea No-PE. En este esquema de cruzamiento, se valida el tipo de herencia de la PE, en donde al cruzar una planta PE con otra genéticamente diferente (no PE), las progenies en la F1 no expresan la poliembrionía, pero sí en la F2 con una frecuencia esperada de 6.25 %. Además, presenta el fenómeno de penetrancia incompleta que puede llegar hasta un 50 %. Es importante señalar que en el análisis de progenie de cruzas del tipo NOPE X NOPERE (tercer esquema, apareamiento entre plantas individuales, pero nacidas dentro de la misma familia PE), aunque fueron cruzas entre plantas individuales, en todos los casos se presentó progenie con 52 % de plantas PE. Esto pudiera significar que las plantas progenitoras, aunque no manifestaron ix

fenotípicamente la PE, son de las plantas que aún portando los genes para poliembrionía no la manifiestan, ya que es obstruida por el fenómeno de penetrancia incompleta. Los resultados en cuanto a la comparación de secuencias de ADN indicaron que dentro de cada familia del grupo PLs se presentó una similaridad de 70 a 90 %. En estos casos, no se tuvo control de polinizadores, y por lo tanto, el apareamiento fue aleatorio, pudiendo participar en el proceso polen de fuentes diversas, ya sea PE o No-PE y en menor grado, hasta autofecundación. Esta condición impacta fuertemente las diferencias de ADN en madres e hijas, aunado a la recombinación genética de la madre en la formación de gametos. Las comparaciones dentro de las familias S3, S5 y S7, del grupo S1, presentaron resultados específicos, acordes a lo esperado en casos de plantas emparentadas. Del conjunto de las 18 comparaciones posibles (una madre, tres plantas hijas, combinaciones de 4 tomadas de 2 en 2; tres madres distintas), las familia S3 y S7 presentaron cada una un caso de similaridad de 100 %, es decir secuencia idéntica de nucleótidos entre madre e hija. Estos casos fueron los resultados de las comparaciones S3 vs. S3P22 y S7 vs S7P22. La identidad entre madres-hijas puede ser explicado de dos maneras: en cada familia, las plántulas hijas se originaron de una sola semilla, esta condición pudiera resultar de diversos fenómenos que alteran la formación normal del embrión, una de ellas es que una de las dos plántulas se originó de manera normal, por la vía de la doble fecundación (embrión 2n y endospermo3n) por eso es diferente a la madre, mientras que la segunda hija se originó de manera atípica en el saco embrionario, a partir de una célula germinal no-reducida, de dotación 2n, idéntica a la madre, y por lo tanto de probable origen apomíctico, o, en su defecto, podría provenir de una célula de la estructura somática que rodea al saco embrionario, como la nucela, y por lo tanto resultaría como un caso de poliembrionía adventicia. x

Sin duda, los resultados sobre la similaridad resultante en la comparación de secuencias de ADN entre los genotipos señalados son muy interesantes, pero parece necesario que se haga más investigación sobre este fenómeno para precisar la probable relación entre poliembrionía y apomixis en maíz."