Mejoramiento por resistencia a enfermedades

UNIDAD 10

Curso: Mejoramiento Genético VegetalFacultad de Ciencias Agrarias

Universidad de la EmpresaMontevideo

Ing. Agr., M. Sc. Jaime A. García

Mejoramiento por resistencia a enfermedades

• Agentes patógenos

• Estrategias de control

• Resistencia vertical y horizontal

• Interacción huésped-patógeno

• Epidemias

• Estrategias de mejoramiento

Mejoramiento por resistencia a enfermedades

• Las plantas son generalmente atacadas por un rango amplio de enfermedades y plagas que para una efectiva producción comercial requieren ser controladas.

• El control efectivo de una enfermedad requiere conocer su biología, epidemiología y la magnitud del daño que provoca.

• Hay distintos métodos de control: químicos, biológicos, culturales (prácticas de manejo), físicos y legislativos.

• La resistencia a enfermedades es uno de los objetivos más importantes de los programas de mejoramiento.

• Ventajas del desarrollo de variedades resistentes:– no implica costos extra– amigables con el ambiente– no es tan influída por el ambiente (como el control químico)

Mejoramiento por resistencia a enfermedades

• La enfermedad es básicamente un cambio del metabolismo necesario para un desarrollo normal del organismo. Un crecimiento y desarrollo anormales causarán una reducción en el rendimiento biológico y económico.

• El efecto más importante de la mayoría de las enfermedades en las plantas es reducir la biomasa y por tanto el rendimiento.

• El mejoramiento por resistencia a enfermedades implica la manipulación de dos sistemas genéticos: el huésped y el patógeno.

• La resistencia genética implica la interferencia y/o reducción del desarrollo del patógeno.

Genes y Enfermedades• Los patógenos son generalmente específicos para una especie hospedante.

El patógeno que causa enfermedad a una especie puede no causarle nada a otra especie diferente.

• El factor que determina el desarrollo de una cierta enfermedad en un huésped es la presencia en el patógeno de uno o más genes que determinan la especificidad o la virulencia sobre ese huésped.

• De la misma manera, el huésped tiene ciertos genes que determinan su susceptibilidad y especificidad para cierto patógeno.

• El resultado de cada combinación huésped-patógeno es predeterminado por el material genético de ambos organismos.

• Tanto los genes que determinan la resistencia en las plantas como los que determinan la virulencia de los patógenos son variables.

• Algunos patógenos son capaces de atacar a múltiples plantas, ya sea porque tienen muchos genes diversos para virulencia y/o que los genes de virulencia tienen un espectro más amplio de especificidad hacia el hospedante.

Causas y Efectos• Hay 6 grupos de agentes causales: (en orden de importancia global)

» hongos anemófilos» hongos del suelo» virus» bacterias» nematodos» insectos

• La importancia varía con las especies. En términos de los esfuerzos en mejoramiento, los hongos anemófilos reciben la mayor importancia

• Hay 4 vías básicas por las que las enfermedades afectan las plantas:– muerte de la planta– reducción del crecimiento– muerte de partes de la planta– reducción de calidad del producto

Biología Epidemia Diseminación

Hongos anemófilos

Especializados, diferenciación

razas

Recurrentes, estacionales,

climaAmplia y rápida

Hongos del suelo

Específicos, persistentes,

alguna dif razas

Crónicos en sitios infectados

Lenta, hombre principal

responsable

Bacterias Específicos, sin dif. razas

Crónicos mas que epidémicos

Lenta, hombre principal

responsable

Virus Obligados, específicos

Sistémico y crónico mas que

epidémicos

Insectos vectores o mecánica

Algunas características de agentes patógenos

Estrategias generales de control

1. Exclusión del patógeno . Los servicios de cuarentena que controlan que no se introduzcan enfermedades no existentes.

2. Reducción o eliminación del inóculo. Ej. rotaciones de cultivos, quema, mejorar drenaje, esterilización del suelo, etc.

3. Mejoramiento por resistencia a enfermedades, introducir resistencia genética en cultivares adaptados.

4. Protección del huésped , mediante el uso de agroquímicos.

Estrategias de defensa de las plantas de las plantas frente a las enfermedades

1. Escape. Mecanismo que reduce la posibilidad de contacto entre el patógeno y la planta. Ej. la madurez temprana antes que surjan las enfermedades, factores ambientales que dificultan la diseminación del patógeno (sequía, temperatura), etc.

2. Resistencia. Mecanismo que opera luego del contacto entre el huésped y el patógeno y se manifiesta en que el huésped impide la invasión del patógeno o reduce el desarrollo del mismo. La resistencia puede ser:

– por mecanismos preexistentes: resistencia constitutiva (o resistencia pasiva)

– resistencia inducida (resistencia activa) por genes de resistencia

3. Tolerancia. A diferencia del escape y la resistencia que operan reduciendolos niveles de infección, la tolerancia opera reduciendo la magnitud del daño. Un huésped puede ser susceptible pero exhibir muy poca reducción del rendimiento. No está claro cuales son los mecanismos involucrados en la tolerancia.

El patógeno

• El patógeno es el organismo capaz de causar enfermedad en otro organismo (el huésped).

• La patogenicidad es la capacidad del patógeno de causar enfermedad en un huésped, y la virulencia es el grado o magnitud de la enfermedad que provoca.

• La patogenicidad y virulencia de un patógeno varía entre razas.

• Los mecanismos generales de variabilidad en los patógenos son:– mutación– recombinación– hay además otros mecanismos especializados de variabilidad en hongos,

bacterias y virus

Definiciones

• Patógeno obligado: solo puede crecer y multiplicarse sobre organismos vivos. Generalmente son altamente específicos.

• Patógeno facultativo: pueden vivir sobre material muerto y parasitar plantas vivas.

• Patógeno no obligado: viven una parte de su vida fuera del hospedador.• Susceptibilidad: incapacidad de una planta para resistir el efecto de un

patógeno.• Virulencia: grado de patogenicidad de un agente parásito determinado-• Inmunidad: exento de infección por un patógeno determinado• Hipersensibilidad: sensibilidad excesiva de los tejidos de una planta contra

ciertos parásitos. Las células afectadas mueren rápidamente lo cual impide el avance de los parásitos obligados

• Forma especial (f.sp.): se dice de los parásitos que sin presentar diferencias morfológicas aparecen bien caracterizados biológicamente por estar adaptados a cierto género o especie hospedante.

• Raza fisiológica: es un taxon inferior a forma especial que se diferencia fisiológicamente por su mayor o menor virulencia cuando infecta algunas variedades de la planta huésped.

Ejemplo: roya del tallo

Forma RazasHuésped Especie especial fisiológicas

Trigo Puccinia graminis tritici varias

Avena Puccinia graminis avenae varias

Patógeno

El patógeno(con énfasis en royas)

• Las royas son parásitos obligados (solo pueden vivir sobre alguna planta huésped) , presentan alta especificidad y formas especiales según la gama de huéspedes (ej. tritici, secale, avenae, son f.sp. de P.graminis).

• Dentro de cada forma especial se dividen en razas fisiológicas (las que se diferencian por caracteres fisiológicos y patológicos, y se distinguen por sus respuestas diferenciales en una serie de variedades).

• En la mayor parte del mundo las royas se reproducen en forma asexual sobre el cultivo, en plantas voluntarias o especies afines.

• Son patógenos de ciclo múltiple, se propagan mediante producción contínua de esporas (inóculo secundario). Aún con bajos grados de infección primaria pueden provocar graves daños.

• Presentan numerosos genes que causan virulencia, la mayoría recesivos. Pueden producir nuevas variantes principalmente por mutación.

El huésped• Es el organismo en el cual el patógeno puede producir la enfermedad.

• Un huésped susceptible es aquel en el cual una raza del patógeno produce los síntomas de la enfermedad.

• El huésped puede emplear varios mecanismos de defensa para resistir los patógenos:

– Resistencia constitutiva• incluye las barreras físicas a la penetración del patógeno (lignina, etc.) ó químicas

(producción de metabolitos fenoles, alcaloides, etc. con propiedades antimicrobiales.

– Resistencia inducida (genes de resistencia)• cuando se produce la infección, el huésped produce rápidamente productos químicos

(peroxidasas, hidrolasas, fitoalexinas, etc.) para combatir la infección

El concepto de resistencia en el mejoramiento

• La resistencia es una respuesta a una causa. Hay grados de resistencia. Siempre es relativa a un testigo. Una variedad resistente no implica ausencia completa de enfermedad.

• En la práctica, resistencia significa “menos enfermedad” en la escala adoptada para medirla.

• La resistencia se manifiesta de dos maneras básicas: inhibición de la infección o inhibición del subsecuente crecimiento del patógeno. La resistencia puede ser una característica cualitativa o cuantitativa.

• Cuando la resistencia no es satisfactoria, el productor debe suplementarla con aplicación de agroquímicos.

• Las especies son normalmente atacadas por más de un patógeno; el mejorador debe establecer prioridades en función del impacto de cada una.

Reacciones de resistencia

• Hipersensibilidad. La infección provoca una reacción localizada donde las células que rodean el punto de ataque mueren de manera de contener la infección. El patógeno eventualmente muere dejando un punto necrótico. Esta es la más común forma de reacción.

• Desarrollo excesivo de tejidos, para reducir la propagación de la enfermedad (ej. agallas, suberización de tejidos, etc.)

• Subdesarrollo de tejidos: plantas afectadas atrofian su crecimiento (ej. infecciones virales)

Tipos de resistencia genética

• Las interacciones que se producen entre el huésped y el patógeno son complejas lo que hace difícil categorizar la resistencia en tipos definidos.

• Sin embargo, en términos prácticos, es ampliamente aceptado que las reacciones de resistencia se pueden categorizar en dos clases(vertical y horizontal) basadas en la epidemiología y en la estabilidad de la resistencia.

Tipos de resistencia genéticaResistencia Vertical

• Se presenta cuando una variedad es resistente a algunas razas del patógeno pero es sensible a otras. Hay interacción cultivar x raza del patógeno.

• Controlada por uno o pocos genes mayores.

• Expresión clara, fácil de mejorar porque los genes mayores son fáciles de identificar y transferir por cruzamientos.

• Es muchas veces absoluta (confiere inmunidad contra la raza del patógeno).

• Ejerce una presión de selección sobre la población patógena.

• No ofrece protección contra nuevas razas.

• Cultivares con RV son generalmente vulnerables frente a una población patógena variable.

• Generalmente es de corta vida útil.

Tipos de resistencia genéticaResistencia Horizontal

• Implica un tipo de resistencia igualmente eficaz contra todas las razas del patógeno. No hay interacción cultivar x raza del patógeno.

• Controlada por poligenes

• Reduce la tasa de desarrollo de la enfermedad. Se reduce el número de esporas, se aumenta el intervalo entre la infección y la esporulación.

• Más difícil de evaluar y mejorar.

• No ejerce presión de selección sobre la población patógena.

• Se expresa generalmente en planta adulta.

• Durable

Resistencia horizontal y vertical

Resistencia vertical y horizontal

Resistencia Vertical Resistencia Horizontal

ExpresiónClara, definida, funcional en todo el ciclo

Variable; opera en planta adulta, plántulas susceptibles

MecanismoReacción de inmunidad o hipersensitividad

Reduce la tasa y el grado de infección

EficienciaMuy eficiente pero puede enmascarar susceptibilidad a otras razas

Variable, generalmente efectiva contra todas las razas

Control genéticoCualitativa, pocos genes de efecto mayor

Poligénica

EstabilidadFactible de ser quebrada por nuevas razas

No afectada por cambios en la virulencia de los patógenos

TerminologíaEspecífica, cualitativa, majorgene, race specific.

No específica, cuantitativa, poligénica, slow rusting, fieldresistance.

Genes y Enfermedades

• La coexistencia que existe en la naturaleza entre las plantas y sus patógenos indica que ambos han evolucionado juntos: los cambios que ocurren en la virulencia de los patógenos han de estar en equilibrio con la resistencia del huésped.

• La evolución gradual de resistencia y virulencia puede explicarse por medio del concepto gen por gen, mediante el cual por cada gen que confiere resistencia en el huésped hay un gen correspondiente en el patógeno que le confiere virulencia y viceversa.

Genética de las reacciones Huésped-PatógenoConcepto gen-por-gen (H.H.Flor)

• Por cada gen que confiere resistencia en el huésped hay un gen correspondiente que confiere virulencia en el patógeno.

• La interacción entre el gen que determina la virulencia del patógeno y el gen de resistencia del huésped determina si la reacción es de resistencia o susceptibilidad.

• La reacción puede variar desde la inmunidad, la hipersensibilidad hasta la susceptibilidad.

• Los genes de resistencia en el huésped son dominantes y los genes de virulencia en el patógeno son recesivos.

• Si el huésped carece de genes de resistencia, el patógeno lo atacaráaún cuando carezca de un gen de virulencia específico para esa planta.

R (resistente)Dominante

r (susceptible)recesivo

A (avirulento)Dominante

AR (-) Ar (+)

a (virulento)Recesivo

aR (+) ar (+)

Genes de resistencia o susceptibilidad en la planta

Gen

es de virulencia o 

avirulen

cia en

 el patógen

o

(+) Susceptible, reacción compatible: enfermedad(‐) Resistente, reacción incompatible:  no hay infeccion

AR = el huésped es resistente porque tiene un gen de resistencia R contra el cual el patógeno carece del gen específico de virulencia.

aR = el huésped es infectado aunque lleve un gen de resistencia porque el patógeno tiene el gen de virulencia que actúa específicamente sobre ese gen de resistencia.

Ar y ar = el huésped es infectado porque carece de genes de resistencia y el patógeno lo atacará aún cuando carezca de un gen de virulencia específico.

El concepto Gen por Gen

Por cada gen que confiere resistencia en el huésped hay un gen correspondiente que confiere virulencia en el patógeno

Genética de las reacciones Huésped-Patógeno

• La royas poseen numerosas razas fisiológicas. Cada raza puede poseer un gen que sea virulento en alguna variedad de trigo y avirulento en otras. El genotipo del huésped puede poseer uno o varios genes de resistencia a alguna raza y ser susceptible a otras.

• La interacción entre el gen que determina la virulencia del patógeno y el gen que confiere resistencia en el huésped determina si la reacción es de resistencia o susceptibilidad.

• La reacción puede variar desde:– la inmunidad: sin ningún signo visible de infección– la hipersensibilidad: mueren las células del hospedante en el sitio de

infección previniendo la propagación del patógeno)– la susceptibilidad: se forman pústulas productoras de esporas.

Genética de las reacciones Huésped-Patógeno

• Asumiendo que todos los genes actúan en una base gen-por-gen, la RV y la RH pueden considerarse como extremos de un continuo.

• Cuando hay pocos genes con grandes efectos, hay interacciones diferenciales huésped-patógeno claramente identificables y el resultado es resistencia vertical.

• Cuando hay muchos genes de efecto menor, no es posible identificar ninguna reacción diferencial y la resistencia es principalmente horizontal.

Epidemias y Agricultura

• Las plantas salvajes raramente tienen enfermedades epidémicas. Esto se debe a la heterogeneidad genética de las poblaciones naturales, su dispersión, su carácter discontinuo y a mecanismos naturales de control biológico. Huéspedes y patógenos sobreviven juntos en un equilibrio complejo en el cual ninguno domina.

• La agricultura primitiva se caracteriza por la diversidad genética y la complejidad espacial. Las enfermedades están presentes pero muy raramente son epidémicas.

• La agricultura moderna presenta a los patógenos grandes áreas continuas de reducida base genética, y estas son las condiciones más favorables para el desarrollo de enfermedades.

• Recordar conceptos de “Erosión genética” y “Vulnerabilidad genética”(Unidad 1)

Epidemias

• Una epidemia es una enfermedad que comienza en un bajo nivel y aumenta con el tiempo.

• Resulta de la interacción de tres factores: inóculo, huésped y ambiente. Es el denominado “triángulo de la enfermedad”.

• Factores del huésped: tamaño y diversidad genética. La uniformidad genética del huésped es un medio ideal para que la epidemia pueda alcanzar grandes proporciones.

• Factores del patógeno: abundancia del inóculo, virulencia, capacidad reproductiva. Una espora después de 3 generaciones de 10 días c/u puede llegar a producir 1 millón de pústulas de roya. Con esta tasa de reproducción, el índice efectivo de mutación puede ser muy elevado.

• Factores ambientales: Ej. las royas requieren humedad libre en superficie y temperaturas adecuadas.

Epidemias

• Lo primero que se necesita para que una enfermedad se desarrolle es el contacto entre el inóculo y el huésped. En las royas, pueden ser causadas por esporas sobrevivientes o transportadas por el viento desde otros lugares.

• Una vez en contacto, y siempre que las condiciones sean adecuadas, el inóculo entra en una fase de crecimiento rápido basado en sus propias reservas, es la fase de germinación. En las royas esta fase requiere agua libre.

• Luego se forma un tubo germinal que penetra en el huésped al que sigue una fase de incubación y luego la fase de esporulación donde aparecen los síntomas visibles y se liberan esporas que aumentan el inóculo.

El impacto de la resistencia en el desarrollode las epidemias

• Una epidemia es una enfermedad que comienza en un bajo nivel y aumenta con el tiempo.

• Al comienzo, una variedad susceptible será infectada en forma proporcional al nivel de infección. Esta es la fase logarítmica o exponencial.

• A medida que la infección progresa, las esporas encuentran menos tejido libre para infectar y la tasa de infección tiende a enlentecerse. La curva teórica general del progreso de una epidemia tiene una forma sigmoide.

El impacto de la resistencia en el desarrollode las epidemias

• Van der Plank: propuso una ecuación que describe el curso de una epidemia:X = X0 ert siendo X la cantidad de enfermedad, X0 el inóculo

inicial, r es la tasa de infección, t es el tiempo.

• Hay 3 parámetros básicos que regulan una epidemia: X0, r, t. La reducción de cualquiera de ellos reducirá el curso de la epidemia.

• Reducción de “t”– ciclo corto

• Reducción de “X0”– medidas de manejo (rotaciones, etc)– Resistencia vertical (si el 99% de las esporas existentes son de razas que la variedad es

resistente, la epidemia debe arrancar del 1%. Es un efecto equivalente al de haber reducido el 99% del inóculo por medidas de manejo. Confina el inóculo solo a aquellas razas que pueden atacar la variedad. Pero la RV no reduce la tasa de infección “r” porque la reproducción es normal para las razas no controladas por la resistencia.)

• Reducción de “r”– uso de agroquímicos– Resistencia horizontal ( En contraste con la RV, la resistencia horizontal afecta todas las

razas y reducen “r” porque si bien pueden ser infectadas, la epidemia progresa más lentamente. La RH suplementa el efecto de la RV.)

Impacto de la Resistencia Vertical: reduce X0 , retrasa el comienzo de la epidemia

Van der Plank, Fig 3.1

Impacto de la Resistencia Horizontal: reduce “r”, disminuye el progreso de la epidemia

Van der Plank, fig 3.2

Mejoramiento por resistencia a enfermedades

• Las variedades resistentes a enfermedades se obtienen identificando genes de resistencia y transfiriendo esos genes mediante técnicas de hibridación.

• La resistencia puede estar controlada por genes individuales o por poligenes, lo que depende de la especialización del patógeno y la naturaleza de la resistencia.

• Cuando en el patógeno no existe la especialización de razas, la resistencia del genotipo del huésped es conferida por poligenes de raza no específica, donde cada uno de ellos contribuye con un pequeño incremento en el control del patógeno.

• Cuando en el patógeno existe especialización de razas fisiológicas, la resistencia del huésped a razas específicas es conferida por genes de raza específica, que confieren resistencia a algunas razas pero no a otras.

Estrategias de Mejoramiento por resistencia a enfermedades

• Es necesario tener buena presión de selección que permita discriminar genotipos resistentes y susceptibles. Hay que asegurarse que las plantas que lucen sanas no haya sido por escape.

• Las razas fisiológicas del patógeno pueden ser identificadas con cultivares diferenciales. De esta manera se puede saber la composición de razas predominantes.

• La mayoría de los programas han tendido a concentrarse en RV, porque es fácil de identificar e incorporar. Si bien la RV puede ser muy efectiva es de vida corta y los programas de mejoramiento deben estar continuamente desarrollando nuevas variedades con nuevos genes de resistencia.

• La estrategia de mejoramiento por RV es sencilla: se identifican fuentes de resistencia y se incorporan por las técnicas convencionales: hibridación, pedigree, bulk, retrocruza, etc.

• Reducción de la vulnerabilidad:– Multilíneas– Mezcla varietal o compuesto– Diversificación varietal

• El mejoramiento por RH es más laborioso porque implica muchos genes de efecto menor. Se utilizan procedimientos de selección recurrente.

Estrategias de Mejoramiento

• El mejoramiento por RV es apropiado para anuales pero no para perennes. Es muy efectiva para patógenos del suelo pero menos confiable para hongos anemófilos.

• El mejoramiento por RV es más sencillo pero menos estable.

• El mejoramiento por RH es aplicable para todas las especies y patógenos, pero es más difícil de realizar.

• El mejoramiento por RH tiene efectos menos espectaculares pero confiere un tipo de resistencia más amplia y durable.

• No es fácil seleccionar por RH en presencia de RV (efecto Vertifolia). El efecto de genes mayores de resistencia puede ser muy fuerte que no permite evaluación y selección por RH.

• En la práctica, el mejoramiento por resistencia a enfermedades lo que busca es reducir el desarrollo de la enfermedad a un nivel que minimice los efectos sobre el rendimiento. No necesariamente es esencial que las variedades sean inmunes.

Evaluación de las enfermedades. Escalas

• La gravedad, que se estima por el % del área infectada según la escala de Cobb modificada

• El tipo de infección o reacción:– 0 sin infección visible– R Resistente, áreas necróticas con o sin pústulas pequeñas– MR Moderadamente resistente, pústulas pequeñas con áreas necróticas– M Intermedia, pústulas variables, algo de necrosis/clorosis– MS Moderadamente susceptible, pústulas medias, sin necrosis– S Susceptible, pústulas grandes, sin necrosis ni clorosis

• Prevalencia: N° plantas afectadas en determinada zona. Se usa como pronóstico de epidemias y para estrategias de control.

Escala de Cobb modificada

Roya de la hoja del trigo. Puccinia recondita

Roya del tallo del trigo. Puccinia graminis f.sp. tritici

Roya estriada o amarilla del trigo. Puccinia striiformis

Septoriosis o mancha de la hoja. Septoria tritici

Fusariosis del trigo. Fusarium graminearum

Aplicaciones de la biotecnología en el mejoramiento por resistencia a plagas y enfermedades

• Los maíces Bt, ampliamente usados en Uruguay y en otras partes del mundo, constituyen un ejemplo del potencial de la ingeniería genética y otras técnicas biotecnológicas para resolver problemas productivos.

• En el maíz Bt (resistente a lepidopteros) la resistencia al barrenador del tallo (Diatraea saccharalis) se origina por introducción del gen cry1A(b) para la síntesis de la toxina Bt dela bacteria del suelo Bacillus thuringensis.Estas toxinas provocan la parálisis del sistema digestivo del insecto que deja de alimentarse y muere a los pocos días. Estas toxinas son inocuas para mamíferos, aves y otros insectos.

• Otras características como resistencia a enfermedades, virus y nematodes están siendo investigadas con las técnicas biotecnológicas.

Mejoramiento por resistencia a enfermedadesBibliografía

• Acquaah, Cap 20

• Poehlman, Cap 12

• Simmonds & Smartt, Cap 7

• Stubbs, R.W. et.al. 1986. Manual de metodologías sobre las enfermedades de los cereales. CIMMYT, México.