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16.3E: Reproducción asexual en plantas - Biología

16.3E: Reproducción asexual en plantas - Biología


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La reproducción asexual es la formación de nuevos individuos a partir de la (s) célula (s) de un solo padre. Es muy común en plantas, menos en animales.

Reproducción asexual en plantas

Todos los órganos de las plantas se han utilizado para la reproducción asexual, pero los tallos son los más comunes.

Tallos

En algunas especies, los tallos se arquean y echan raíces en sus puntas, formando nuevas plantas.

Los tallos horizontales sobre el suelo (llamados estolones) de la fresa (que se muestra aquí) producen nuevas plantas hijas en nodos alternos.

Los tallos subterráneos como rizomas, bulbos, bulbos y tubérculos se utilizan para la reproducción asexual y para el almacenamiento de alimentos.

Los lirios y las azucenas, por ejemplo, se propagan rápidamente por el crecimiento de sus rizomas.

Sale de

Esta foto muestra las hojas de la planta ornamental común Bryophyllum (también llamada Kalanchoë). La mitosis en los meristemos a lo largo de los márgenes de las hojas produce pequeñas plántulas que se caen y pueden tomar una existencia independiente.

Raíces

Algunas plantas usan sus raíces para la reproducción asexual. El diente de león es un ejemplo común. Los árboles, como el álamo o el álamo temblón, envían nuevos tallos desde sus raíces. Con el tiempo, se puede formar una arboleda entera, todo parte de un clon del árbol original.

Propagación de plantas

Las plantas de importancia comercial a menudo se propagan deliberadamente por medios asexuales para mantener rasgos particularmente deseables (por ejemplo, color de la flor, sabor, resistencia a enfermedades). Los esquejes se pueden tomar del padre y enraizar.

Injerto se usa ampliamente para propagar una variedad deseada de arbusto o árbol. Todas las variedades de manzana, por ejemplo, se propagan de esta manera.

manzana semillas se plantan solo para el sistema de raíces y tallos que crece a partir de ellos. Después de un año de crecimiento, se quita la mayor parte del tallo y se extrae una ramita (vástago) tomado de una planta madura de la variedad deseada se inserta en una muesca en el tocón cortado (el existencias). Mientras los cámbiums del vástago y el stock estén unidos y se tomen precauciones para prevenir la infección y la desecación, el vástago crecerá. Obtendrá toda su agua y minerales del sistema radicular del caldo. Sin embargo, la fruta que eventualmente producirá será idéntica (suponiendo que se cultive en condiciones ambientales similares) a la fruta del árbol del que se tomó el vástago.

Apomixis

Los árboles de cítricos y muchas otras especies de angiospermas utilizan sus semillas como método de reproducción asexual; un proceso llamado apomixis.

  • En una forma, el huevo se forma con 2n cromosomas y se desarrolla sin nunca ser fertilizado.
  • En otra versión, las células del óvulo (2n) se convierten en un embrión en lugar de (o además de) el óvulo fertilizado.

La hibridación entre diferentes especies a menudo produce descendencia infértil. Pero en las plantas, esto no necesariamente condena a la descendencia. Muchos de estos híbridos usan la apomixis para propagarse.

Las muchas razas de pasto azul de Kentucky que crecen en el césped de América del Norte y las muchas razas de moras son dos ejemplos de híbridos estériles que se propagan con éxito por apomixis.

Recientemente, se descubrió un ejemplo de apomixis en gimnospermas (ver Pichot, C., et al, en la edición del 5 de julio de 2001 de Naturaleza). En un ciprés raro, los granos de polen son diploides, no haploides, y pueden convertirse en embriones cuando aterrizan en los conos femeninos de su propia especie (poco común) o en los de una especie de ciprés mucho más común.

Es esto apomixis paterna en una madre sustituta, ¿un intento desesperado por evitar la extinción?

Cultivo de plantas de cultivo apomícticas

Muchas plantas de cultivo valiosas (por ejemplo, maíz) no se pueden propagar por métodos asexuales como el injerto.

A los científicos agrícolas les encantaría convertir estas plantas en apomixis: hacer embriones que sean clones genéticos de sí mismos en lugar de ser el producto de la reproducción sexual con su inevitable reorganización genética. Después de 20 años de trabajo, se ha producido un maíz apomíctico (maíz), pero aún no produce suficientes granos viables para ser útil comercialmente.

Reproducción asexual en animales

En ciernes

Aquí, la descendencia se desarrolla como un crecimiento en el cuerpo del padre. En algunas especies, por ejemplo, medusas y muchos equinodermos, los brotes se desprenden y toman una existencia independiente. En otros, por ejemplo, los corales, las yemas permanecen adheridas al padre y el proceso da como resultado colonias de animales. La gemación también es común entre los animales parásitos, por ejemplo, tenias.

Fragmentación

A medida que ciertos gusanos diminutos crecen hasta alcanzar su tamaño completo, se rompen espontáneamente en 8 o 9 pedazos. Cada uno de estos fragmentos se convierte en un gusano maduro y el proceso se repite.

Partenogénesis

En la partenogénesis ("nacimiento virginal"), las hembras producen huevos, pero estos se convierten en jóvenes sin ser fertilizados. La partenogénesis ocurre en algunos peces, varios tipos de insectos y algunas especies de ranas y lagartos. Normalmente no ocurre en mamíferos debido a sus genes impresos. Sin embargo, utilizando manipulaciones especiales para eludir la impronta, se han producido ratones de laboratorio por partenogénesis.

En unas pocas especies que no son mamíferos es el único método de reproducción, pero es más común que los animales recurran a la partenogénesis solo en determinadas circunstancias. Ejemplos:

  • Los pulgones usan la partenogénesis en la primavera cuando se encuentran con abundante comida. En esta especie, la reproducción por partenogénesis es más rápida que la reproducción sexual, y el uso de este modo de reproducción asexual permite a los animales explotar rápidamente los recursos disponibles.
  • Los dragones de Komodo hembras (el lagarto más grande) pueden producir descendencia por partenogénesis cuando no hay ningún macho disponible para la reproducción sexual. Su descendencia es homocigótica en todos los locus, incluidos los cromosomas sexuales idénticos. Así, las hembras producen todos los machos porque, a diferencia de los mamíferos, las hembras son del sexo heterogamético (ZW) mientras que los machos son homogaméticos (ZZ).

La partenogénesis se fuerza en algunas especies de avispas cuando se infectan con bacterias (en el género Wolbachia). La Wolbachia puede pasar a una nueva generación a través de los óvulos, pero no a través del esperma, por lo que es ventajoso para la bacteria que las hembras se produzcan en lugar de los machos.

En estas avispas (como en las abejas),

  • huevos fertilizados (diploides) se convierten en hembras
  • los huevos no fertilizados (haploides) se convierten en machos

Sin embargo, en las hembras infectadas con Wolbachia, todos sus huevos se someten a endorreplicación produciendo huevos diploides que se convierten en hembras sin fertilización; es decir, por partenogénesis.

¡Tratar a las avispas con un antibiótico mata las bacterias y "cura" la partenogénesis!

Apis mellifera capensis

Ocasionalmente, las abejas obreras desarrollan ovarios y ponen huevos sin fertilizar. Por lo general, estos son haploides, como era de esperar, y se convierten en machos. Sin embargo, los trabajadores de la subespecie Apis mellifera capensis (la abeja del Cabo) puede permanecer sin fertilizar diploide huevos que se convierten en hembras (que continúan con la práctica). Los huevos son producidos por meiosis, pero luego el núcleo del cuerpo polar se fusiona con el núcleo del huevo restaurando la diploidía (2n). (El fenómeno se llama thelytoky automático.)

¿Por qué elegir la reproducción asexual?

Quizás la mejor pregunta es: ¿Por qué no?

Después de todo, la reproducción asexual parecería una forma más eficiente de reproducirse. La reproducción sexual requiere machos, pero ellos mismos no producen descendencia.

Dos explicaciones generales para la abrumadora prevalencia de especies que se reproducen sexualmente sobre las asexuales son:

  • Quizás la reproducción sexual se ha mantenido de moda porque proporciona un mecanismo para eliminar (mediante el proceso de recombinación de la meiosis) las mutaciones dañinas que surgen en la población reduciendo su aptitud. La reproducción asexual hace que estas mutaciones se vuelvan homocigotas y, por lo tanto, estén completamente expuestas a las presiones de la selección natural.
  • Quizás sea la capacidad de adaptarse rápidamente a un entorno cambiante lo que ha hecho que el sexo siga siendo el método de elección para la mayoría de los seres vivos.

Purga de mutaciones nocivas

La mayoría de las mutaciones son dañinas: cambiar un alelo funcional por uno menos funcional o no funcional. Una población asexual tiende a ser genéticamente estática. Aparecen alelos mutantes, pero permanecen asociados para siempre con los alelos particulares presentes en el resto de ese genoma. Incluso una mutación beneficiosa estará condenada a la extinción si queda atrapada junto con genes que reducen la aptitud de esa población.

Pero con el Recombinación genética proporcionados por el sexo, los nuevos alelos se pueden mezclar en diferentes combinaciones con todos los demás alelos disponibles para el genoma de esa especie. Una mutación beneficiosa que aparece por primera vez junto con los alelos dañinos puede, con la recombinación, encontrarse pronto en genomas más aptos que le permitirán propagarse a través de una población sexual.

Evidencia (de Paland y Lynch en el número del 17 de febrero de 2006 de Ciencias):

Algunas cepas de la pulga de agua Daphnia pulex (un crustáceo diminuto) se reproducen sexualmente, otros asexualmente. Las cepas asexuales acumulan mutaciones deletéreas en sus genes mitocondriales cuatro veces más rápido que las cepas sexuales.

Evidencia (de Goddard et al. en la edición del 31 de marzo de 2005 de Naturaleza):

La levadura en ciernes a la que le faltan dos genes esenciales para la meiosis se adapta menos rápidamente al crecimiento en condiciones difíciles que una cepa idéntica que puede experimentar recombinación genética. En buenas condiciones, ambas cepas crecen igualmente bien.

Evidencia (de Rice y Chippindale en la edición del 19 de octubre de 2001 de Ciencias):

Usando poblaciones experimentales de Drosophila, encontraron que una mutación beneficiosa introducida en los cromosomas que pueden recombine hizo - con el tiempo aumentó en frecuencia más rápidamente que la misma mutación introducida en los cromosomas que podría no recombinar.

Entonces el sexo proporciona un mecanismo para probar nuevas combinaciones de alelos por su posible utilidad para el fenotipo:

  • alelos deletéreos eliminados por selección natural
  • útiles retenidos por selección natural

Algunos organismos aún pueden obtener los beneficios de la recombinación genética mientras evitan las relaciones sexuales. Muchos hongos micorrízicos utilizan únicamente la reproducción asexual. Sin embargo, se ha demostrado que al menos dos especies tienen múltiples copias (similares) del mismo gen; es decir, son poliploides. Quizás la recombinación entre estos (¿durante la mitosis?) Permite que estos organismos eviten los peligros de acumular mutaciones deletéreas. (Véase el artículo de Pawlowska y Taylor en la edición del 19 de febrero de 2004 de Naturaleza.)

Pero hay muchos ejemplos de poblaciones que prosperan sin sexo, al menos mientras viven en un ambiente estable.

Adaptación rápida a un entorno cambiante

Como hemos visto (arriba), las poblaciones sin sexo son genéticamente estáticas. Pueden estar bien adaptados a un entorno determinado, pero tendrán dificultades para evolucionar en respuesta a los cambios en el entorno. Una de las fuerzas ambientales más potentes que actúan sobre el medio ambiente de una especie son sus parásitos.

La velocidad con la que los parásitos como las bacterias y los virus pueden cambiar su virulencia puede proporcionar la mayor necesidad de que sus huéspedes tengan la capacidad de crear nuevas combinaciones de genes. Por lo tanto, el sexo puede ser prácticamente universal debido a la necesidad interminable de mantenerse al día con los cambios en los parásitos.

Evidencia:

  • Algunos parásitos interfieren con la reproducción sexual en su anfitrión:
    • La partenogénesis inducida por Wolbachia discutida anteriormente es un ejemplo.
    • Varios tipos de hongos bloquean la polinización por el viento de sus gramíneas hospedantes, lo que los obliga a reproducirse con la uniformidad genética resultante.
  • Existe alguna evidencia de que las poblaciones genéticamente uniformes corren un mayor riesgo de sufrir epidemias devastadoras y colapsos demográficos.
  • Escarabajos de la harinaTribolium castaneum) parasitado por el microsporidium Nosema whitei aumentar la tasa de recombinación durante la meiosis.
  • Drosophila las hembras parasitadas por bacterias producen más descendencia recombinante que las madres no infectadas.

La idea de que un entorno en constante cambio, especialmente con respecto a los parásitos, impulsa la evolución a menudo se denomina la reina Roja hipótesis. Viene del libro de Lewis Carroll Através del espejo, donde la Reina Roja dice "Ahora aquí, ya ves, se necesita todo el esfuerzo que puedas hacer para mantenerte en el mismo lugar".

Las posibilidades descritas anteriormente no son mutuamente excluyentes y un estudio reciente [ver Morran, L. T., et al., en Naturaleza, 462: 350, 19 de noviembre de 2009] sugiere que ambas fuerzas actúan para favorecer la reproducción sexual sobre sus alternativas.

El organismo para probar estas teorías fue Caenorhabditis elegans. Tiempo C. elegans no se reproduce asexualmente, la mayoría de los gusanos son hermafroditas y generalmente se reproducen por autofertilización y cada individuo fertiliza sus propios huevos. Esto da como resultado rápidamente que sus genes se vuelvan homocigotos y, por lo tanto, estén completamente expuestos a la selección natural, tal como lo están en las especies que se reproducen asexualmente.

Los hermafroditas tienen dos cromosomas X y la autofecundación ("autofecundación") suele producir más de lo mismo; es decir, los hermafroditas producen más hermafroditas. Sin embargo, una no disyunción ocasional genera un embrión con un solo cromosoma X y este se convierte en un varón. Estos machos pueden aparearse con hermafroditas (se prefiere su esperma a los propios hermafroditas) y, de hecho, tal "cruzamiento" produce un mayor número de crías. También produce un 50% de hermafroditas y un 50% de machos.

Probar el papel del cruzamiento frente a la autofertilización en el mantenimiento de la aptitud frente a un aumento de la tasa de mutación.

Estos trabajadores desarrollaron seis cepas de gusanos:

  • dos que solo podían reproducirse por sí mismos
  • dos que solo podían reproducirse cruzando un macho con un hermafrodita ("cruzamiento externo")
  • gusanos "de tipo salvaje"

Todas las cepas fueron expuestas a un mutágeno químico que multiplicó por cuatro la tasa de mutación espontánea.

Los resultados: Después de 50 generaciones, el

  • las cepas de gusanos que solo podían reproducirse mediante la autofecundación sufrieron un grave deterioro en su aptitud
  • las cepas de gusanos que solo podían reproducirse cruzando no sufrieron declive
  • los gusanos de tipo salvaje con niveles intermedios de cruzamiento externo (20-30%) sufrieron solo disminuciones moderadas en su aptitud.

La aptitud se midió colocando los gusanos en una placa de Petri con una barrera que tenían que cruzar para llegar a su comida (E. coli).

La conclusión: la recombinación genética proporcionada por el cruzamiento protegió a los gusanos de la pérdida de aptitud incluso ante un aumento en la tasa de mutación.

Probando el papel del cruzamiento frente a la autofertilización en la velocidad de adaptación a un entorno cambiado.

Para estas pruebas, uno de cada categoría de tipos de apareamiento se expuso durante 40 generaciones a una bacteria patógena (Serratia marcescens) que mata a la mayoría de los gusanos cuando se los comen.

Los resultados: después de 40 generaciones,

  • la cepa de gusanos que solo podían reproducirse por autopolinización eran tan susceptibles al patógeno como al principio mientras
  • la cepa de gusanos que solo podía reproducirse cruzando había desarrollado un alto grado de resistencia al patógeno
  • los gusanos de tipo salvaje solo desarrollaron un modesto aumento en su resistencia a las bacterias.

Desde que se informaron estos estudios, el mismo equipo ha ampliado sus experimentos para examinar los efectos de la evolución en el patógeno (Serratia marcescens), es decir, buscar evidencia de coevolución de huésped y parásito. (Informado por Morran, L. T., et al., en Ciencias, 333: 216, 8 de julio de 2011.)

Durante más de 30 generaciones de gusanos, recolectaron y probaron las bacterias recuperadas de los cuerpos de los gusanos que habían muerto dentro de las 24 horas posteriores a la infección. Descubrieron que:

  • Los gusanos que pueden mantener la variabilidad genética mediante el cruzamiento sufrieron una mortalidad sustancialmente menor por el parásito coevolucionado que hizo los gusanos de la población inicial (mantenidos congelados hasta su uso).
  • Los gusanos que solo podían reproducirse por sí mismos se volvieron tan susceptibles a la cepa evolutiva de Serratia marcescens que se extinguieron en 20 generaciones.
  • Curiosamente, la presión de selección de la creciente virulencia de Serratia marcescens causó que los gusanos de tipo salvaje aumentaran su tasa de cruzamiento del 20-30% normal a más del 80%. Así que una respuesta a la presión de este parásito coevolutivo fue promover el sexo en su anfitrión.

Reproducción en rotíferos

Los rotíferos son invertebrados microscópicos. Se les asigna un filo propio (no se trata en ninguna otra parte de estas páginas). El filo incluye:

  • una clase de ~ 1500 especies llamadas rotíferos monogonont (tienen una sola gónada). Los rotíferos monogonont pueden elegir la reproducción asexual o sexual según lo requieran las circunstancias.
  • una clase de ~ 350 especies llamadas rotíferos bdelloides. Los rotíferos bdelloides se limitan únicamente a la reproducción asexual. Incluso después de años de estudio, nunca se han encontrado machos ni huevos haploides en ningún miembro de este grupo. Parece que abandonaron la reproducción sexual hace millones de años.

Los estudios de laboratorio muestran que los rotíferos monogonont favorecen la reproducción asexual cuando viven en un ambiente estable, pero cambian a una reproducción más sexual cuando se colocan en un ambiente variado o desfavorable. A medida que se adaptan al nuevo entorno, vuelven gradualmente a la reproducción asexual.

Pero, ¿cómo han logrado sobrevivir los rotíferos bdelloides que nunca se dedican a la reproducción sexual? ¿Cómo han evitado las demandas de la Reina Roja? es decir, ¿evitar la extinción a manos de los parásitos?

Un estudio (Wilson, C. G. y Sherman, P. W., Ciencias, 327: 574, 29 de enero de 2010) revela un mecanismo. Estos diminutos animales pueden desecarse completamente (secarse) y permanecer en animación suspendida durante años. En el estado desecado, pueden volar grandes distancias (algunas especies se distribuyen por todo el mundo). Una vez depositados en un ambiente húmedo (unas gotas de agua son suficientes), retoman una vida activa. Wilson y Sherman han demostrado que la desecación que es inofensiva para los rotíferos es letal para su parásito fúngico. Entonces, una vez secados, no solo se curan de su parásito, sino que luego se pueden volar a un lugar donde pueden reanudar una vida activa sin parásitos presentes.

Otra forma en que estos rotíferos pueden evitar el callejón sin salida evolutivo que se espera de los organismos que se reproducen asexualmente ha sido revelada por la secuenciación del ADN de su genoma. Resulta que pueden purgar su genoma de alelos deletéreos mediante la conversión de genes (durante la mitosis).

Pero en cualquier caso, a pesar de sus desventajas, la reproducción sexual llegó para quedarse.

  • reducir el efecto de mutaciones dañinas
  • aumentar la velocidad con la que las poblaciones pueden adaptarse a los cambios en su entorno



Comentarios:

  1. Lochlain

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