introducciÓn 1. la caracterización de recursos...

Introducción 1 1

INTRODUCCIÓN 1. La caracterización de recursos genéticos. Objetivos y enfoques.

Introducción 1 2

• Caracterizar es establecer un elenco lo más amplio posible de caracteres de un enteanimado o inanimado. Este conjunto de caracteres permitirá

Diferenciarlo de otros entes más o menos similaresAveriguar sus relaciones filogenéticas con otros entes

En el caso del germoplasma vegetal, un conjunto completo de caracteres debeser capaz de diferenciar a nivel de:

Especies cultivadas Especies con menor grado de domesticación

• Especie• Variedad botánica• Variedad de cultivo o

cultivar• Clon

• Especie • Variedad botánica• Población?• Subpoblación?• Individuo?

El concepto de CARACTERIZACIÓN

Introducción 1 3

Germoplasma de

cierta especie

Tipos y técnicas de

caracterización

Problema que resolver

Características intrínsecas

Objetivos de la caracterización

Introducción 1 4

– Sistemática: Clasificación de un organismo. – Conservación y utilización racional del germoplasma, en especial

cultivos olvidados y subutilizados y variedades monoritarias.– Gestión de bancos de germoplasma.– Definición y gestión de variedades comerciales.– Identificación o determinación de la variedad a la que pertenece un

individuo problema.– Mejora vegetal: marcadores útiles.

Objetivos de la caracterización

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Tipos de caracteres utilizados:• Morfológicos.• Citológicos.• Bioquimicos.

– Compuestos de bajo peso molecular• Flavonoides; Alcaloides; Aminoácidos no proteicos;Aceites

esenciales.– Moléculas proteicas: Proteínas reserva; Isoenzimas.

• Marcadores ADN.• Ecológicos.• Geográficos.• Fisiológicos/Agronómicos• Organolépticos y bioquímicos de los productos consumidos (fruto)

Marcadores ADN.Moléculas proteicas: Proteínas reserva; Isoenzimas.

Enfoques de la caracterización vegetal

MARCADORES MOLECULARESMarcadores ADN.

Morfológicos.

Moléculas proteicas: Proteínas reserva; Isoenzimas.

Introducción 1 6

Introducción (1) 1

Sistemática y Taxonomía

• La sistemática es el estudio científico de las clases, de la diversidad de los organismos y de sus interrelaciones.Consiste en decidir a qué clase pertenece un organismo,

hasta el momento no clasificado o que se prejuzgue incorrectamente clasificado.

Deberá estudiarse profundamente la diversidad de la población a la que pertenece el organismo en cuestión, y sus relaciones con otros grupos de organismos

Introducción (1) 2

Sistemática y Taxonomía (2)

• La taxonomía es el estudio teórico de la clasificación, incluyendo sus bases, principios, procedimientos y reglas. Es la disciplina que trata de explicar como se

clasifica.Estudia las clasificaciones

Introducción (1) 3

De gran utilidad para analizar la variabilidad intra-taxon, variedades de una especie cultivada

Obsoleta

Filogenéticas: Filogenia estudia relaciones evolutivas entre organismos

Tipos de clasificaciones

EsencialismoCladismoEvolucionismoFeneticismo

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Esencialismo• “La clasificación no se construye sino que se descubre”• Basado en la lógica Aristotélica: Pre-existe en la naturaleza y

la misión del ser humano es descubrirla.• Postulados básicos:

– Los seres vivos reflejan una serie básica de tipos y formas inmutables– Los organismos miembros de un mismo taxon reflejan la misma

naturaleza esencial– No admite que puede existir variación dentro de un mismo taxon.

Introducción (1) 5

Cladismo (Henning, 1966)

• Basada en la secuencia hipotética de la historia evolutiva de los grupos o taxones

• Los únicos grupos que tienen existencia real son los monofiléticos (grupo constituido por todos los descendientes de un antepasado común)

Introducción (1) 6

Cladismo (2)

• Cada grupo filético se denomina “linaje” o “clado” (= rama en griego), y los dendrogramas “cladogramas”.

• Caracteres utilizados por el cladismo:– Plesiomórficos (primitivos)

Poco valiosos por aparecer en antepasados del grupo.– Apomórficos (derivados de los primitivos).

Son los más valiosos por aparecer y evolucionar dentro del grupo.

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Evolucionismo (Eichler, 1875-1878; Engler, 1892)

• Enfoque ecléctico que combina información genealógica (filogenia) con otros criterios:– Grado de diversificación evolutiva desde un antecesor común.– Homogeneidad interna en cada taxon.– Asociación del taxon con un determinado hábitat.– Rango adjudicado al taxon consecuente con su tamaño.– Equivalencia entre las categoría adjudicadas a grupos afines.

Cladismo expresa en la clasificación fielmente las ramificaciones del árbol evolutivo y evolucionismo solo trata de se consecuente con él considerando otros criterios.

Introducción (1) 8

Feneticismo (Sneath, Michener, Sokal, 1957)

Clasificaciones basadas en un gran número de caracteres

... tomados de todas las partes del cuerpo de un organismo

... de todo su ciclo vital

No cuestiona la teoría de la evolución, pero excluye en el proceso de la clasificación la información filogenética.

Introducción (1) 9

Feneticismo (2)Principios teóricos:1. Clasificación ideal: máximo contenido de información basado

en el mayor número de caracteres posibles.2. Todos los caracteres misma significación e importancia en la

formación de grupos.3. Similitud total entre dos entidades es la suma de la similitud

en cada uno de los caracteres utilizados.4. Se pueden reconocer taxones distintos cuando la correlación

entre caracteres difiere dentro del grupo estudiado.

Introducción (1) 10

Feneticismo (3)5. Las relaciones filogenéticas se pueden obtener de la

estructura taxonómica del grupo y de la correlación de los caracteres cuando se dan ciertas suposiciones acerca de los pasos y mecanismos evolutivos.

6. La taxonomía se considera y se practica como una ciencia empírica.

7. Las clasificaciones se basan en semejanzas fenéticas, independientemente de las consideraciones filogenéticas.

8. El número de taxones establecio en cualquier rango es arbitrario, aunque debe ser coherente con los resultados obtenidos.

Introducción (1) 1

Identificar áreas con:•Mayor diversidad genética•Alelos complementarios

Finalidad conservacionista

• Conocer diversidad genética– Interpoblacional– Intrapoblacional

Conservación y utilización racional del gemoplasma

Conservación in situ:• Reforzamiento poblaciones.• Creación de reservas.• Estudio del sistema reproductivo.

Conservación ex situ:• Desarrollo de estrategias de recolección.

Introducción (1) 2

Utilización de recursos fitogenéticos

• Estudio de la diversidad genética en poblaciones básicas de partida- Morfológica (descriptores)- Molecular (marcadores que ya forman parte de listas de

descriptores)• Identificación de los materiales más distantes genéticamente

- Sobre los que realizar evaluación agronómica y organoléptica.

- Germoplasma superior para cruzamientos. • Identificación del germoplasma con mejores características

agronómicas y organolépticas

Conservación y utilización racional del gemoplasma (2).

Introducción (1) 1

• Evitar duplicados.• Identificar sinonimias (mismo material diferentes nombres).• Identificar homonimias (materiales diferentes mismos

nombres).• Detectar pérdida de diversidad en la población inicialmente

recolectada• Crear la “colección nuclear” (core collection).

Colección más pequeña en la que está representada toda o gran parte de la diversidad de la colección total, con el mínimo de redundancia.

• Detectar variantes somaclonales en los bancos que conservan material in vitro.

Caracterización para la gestión de bancos de germoplasma

Introducción (1) 1

Definición de variedad comercial

• Claramente definida por numerosos caracteres de diversa índole

• Distinguible de cualquier otra por estos caracteres

• Suficientemente homogénea para esos caracteres

• Debe mantener estos caracteres en sucesivos procesos de reproducción/multiplicación

“Conjunto de individuos botánicos cultivados que se distinguen por determinados caracteres morfológicos, fisiológicos, citológicos, químicos u otros de carácter agrícola o económico y que, en reproducción sexual o en

multiplicación vegetativa conservan sus caracteres distintivos”

Introducción (1) 2

......................RV. Protegidas

.................................................. R.V. Comerciales

....................................................................... Certificación

Regulación legal del registro y comercialización de variedades

• Evaluación y caracterización de las variedades previa a la comercialización de sus elementos de reproducción y multiplicación– Protección de obtenciones vegetales– Garantizar que las variedades comercializadas cumplen

requisitos mínimos• Control de los elementos de reproducción que se

comercializan

Introducción (1) 3

Registro de Variedades Protegidas

• La variedad se somete a ensayos de identificación para demostrar que es:– Nueva– Diferente/Uniforme/Estable (DUE)

Protección de los derechos de los obtentores

Introducción (1) 4

Registro de Variedades Comerciales

• Con carácter general deben superar ensayos:– Identificación: Diferente/Uniforme/Estable (DUE)– Valor agronómico

Requisito para comercializar una variedad

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Certificación de semillas

• Para variedades identificadas y aprobadas• Toda semilla certificada debe tener descendencia directa de

material parental auténtico• El proceso de producción y el producto final están sometido a

Inspección y Control oficial• El material vegetal, se somete a

– Comprobación de su identidad para controlar:• Pertenencia a la variedad a que se atribuye• Pureza del material

– Análisis de otras características técnicas de las simientes

Garantizar que que la semilla comercializada posee un nivel de calidad suficiente.

Introducción (1) 6

Ensayos de identificación: Caracteres utilizados

• Fundamentalmente de tipo morfológico, contenidos en la legislación

Porte de la banderolaGlauescenciaVellosidad nudo superiorPigmentación antociánica anterasForma de la espigaVarias cc. de la glumaForma del grano

Porte de la plantaIntensidad pigmentación antociánica aurículas banderola

• ¿Marcadores moleculares?

Ejemplo: Cereales de inviernoEncañadoEspigadoFloraciónMaduraciónAhijamiento

Introducción (1) 1

Identificación y determinación• Ubicación de un vegetal en la clase o grupo al que

corresponde, conforme a una clasificación construida previamente.

• Suelen existir “claves” adaptadas a determinados ámbitos.Están basadas en unos pocos caracteres:

• Claros• Poco plásticos• Necesitan métodos y materiales sencillos

En general suelen ser caracteres morfológicos*

Introducción (1) 2

Introducción (1) 1

• CONCEPTO DE MARCADOR: Cualquier diferencia fenotípica controlada genéticamente que pueda ser utilizada en el análisis genético.Ligado a un gen mayor o a un QTL.

• Utilidad e interés de los marcadores en procesos de mejora y selección.

–Selección asistida por marcadores• Introgresión asistida por marcadores.• Desarrollo de líneas puras.• Mejora caracteres cuantitativos.

–Desarrollo de plantas transgénicas.• Introgresión de genes mediante ingeniería genética.• Clonaje posicional.• Mapeo comparativo.

Búsqueda de marcadores útiles en mejora vegetal.

Introducción (1) 2

• Naturaleza:–Marcadores morfológicos.Ej. Tomate: Ausencia antocianina en plántula resistencia al

TMV.–Marcadores moleculares.Ej.

Naturaleza de los marcadores de caracteres agronómicos.

Introducción 2 1

INTRODUCCIÓN 2. Caracterización morfológica vs. caracterización molecular.

Introducción 2 2

• Morfología vs. morfometría• Niveles

– Macroscópico.– Microscópico.

Caracterización morfológica.

Introducción 2 3

• Tipos de caracteres morfológicos.– Según su relación con la planta

• Externos – Internos• Embriológicos• Citológicos• Ultraestructurales

– Según sus características intrinsecas• Continuos – Discontinuos• Absolutos – Relativos• Objetivos - Subjetivos• Estables – Inestables• Cuantitativos - Cualitativos

Caracterización morfológica (2).

Introducción 2 4

CONCEPTO DE MARCADOR MOLECULAR“Secuencia de ADN o proteína que puede ser fácilmente detectable y cuyo mecanismo hereditario puede ser analizado.”

Caracterización molecular.

Introducción 2 5

Cualidades que deben cumplirlos marcadores moleculares• Polimórficos. • Que sean específicos de un determinado locus.• Heredable y preferentemente con herencia codominante.• NeutroLas sustituciones alélicas no tengan otros efectos fenotípicos sobre los

que actúe la selección.• Distribución en el genoma amplia o específica: Según objetivos.• Expresión no afectada por el ambiente.• Reproducible entre laboratorios y dentro de un mismo laboratorio.• Fácil, rápido y económico de detectar.

Caracterización molecular (2).

Introducción 2 6

MOLECULARES. MORFOLÓGICOS .Más abundantes. MM ADN solo limitados por el tamaño del genoma

Número limitado

MM - ADN no afectados por el ambiente Importante interacción G x E

Un solo cistrón implicado (isoenzimas) o un número limitado de bases del ADN (MM)

Con frecuencia caracteres poligénicos

Mínimo o nulo efecto epistático o pleiotrópico Mayor posibilidad de epistasia o pleiotropía

Para el análisis suele ser suficiente una pequeña cantidad de tejido vegetal (en MM -ADN de cualquier órgano)

Para algunos caracteres necesario completar ciclo vital

Comparación caracteres morfológicos vs. marcadores moleculares.

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• Mejores resultados Integración de caracterización morfológica y molecular. En definición y gestión de variedades

• Las listas de descriptores están basadas fundamentalmente en caracteres morfológicos y agronómicos, aunque incluyan algunos moleculares.

• Definición legal de variedades (prueba DUE) basada en caracteres morfológicos, aunque está en fase avanzada de estudio el uso de MM - ADN.

• Hay un grupo encargado del estudio técnico y legal para incluir marcadores moleculares: UPOV Working group on Biochemical and Molecular Techniquesand DNA profiling in particular.

• La tendencia actual para identificar variedades de vid: Primero microsatélites, después ampelografía.

En estudios de sistemática vegetal basados en la filogenia. • Es necesario elegir caracteres de probada herencia filogenética: Caracteres

conservados.• Para esto deben elegirse bien los métodos y los caracteres (no todos valen).

• Ejemplo de marcadores moleculares útiles: Secuenciación del gen ITS.

Mejores resultados Integración de caracterización morfológica y molecular.Mejores resultados Integración de caracterización morfológica y molecular.Mejores resultados Integración de caracterización morfológica y molecular.

¿Se ha quedado obsoleta la caracterización morfológica?

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Muy importante para cualquier cultivo.Se trata de caracteres influidos por el

ambiente, por lo que es necesario ensayos repetidos en diferentes localidades y tratamientos estadísticos de los resultados.

Algunos ejemplos de caracteres agronómicos:

– Componentes del rendimiento → Producción.

– Adaptación a estrés abiótico: Salinidad, temperaturas altas o bajas, encharcamiento.

– Resistencia natural a plagas o enfermedades.

Caracterización agronómica.

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Ejemplo de caracteres organolépticos (cereza):– Crocancia– Jugosidad– Dulzor– ...

Ejemplo de caracteres boquímicos:– Grados Brix– Acidez total– ....

Sala para catas.

Caracterización organoléptica y bioquímica.

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• Descriptor: Cada uno de los rasgos a describir para la caracterización de una determinada especie.

• Listas de descriptores: – Por cultivos.– Conjunto de descriptores elaborados por los expertos en

cada cultivo, para ser utilizados en ese cultivo.

Descriptor: Concepto.

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• Bioversity International (CGIAR, antiguo IPGRI e IBPGR) / FAO.http://www.bioversityinternational.org/?id=3737

• Otras listas de descriptores.– Para determinados cultivos (vid OIV, ...) – Lista de descriptores de pasaporte para cultivos múltiples (DPCM).

Solo contiene información de Pasaporte.Desarrolladas por Bioversity International para ser compatibles con las listas de

sus descriptores (antiguo IPGRI e IBPGR) y con los descriptores WIEWS – FAO.– UPOV: Guidelines for the conduct of tests for distinctness, uniformity and stability. Ej.

Tejocote http://www.upov.int/en/publications/tg-rom/tg239/tg_239_1.pdf

Cada lista de descriptores proporciona un formato internacional y un lenguaje universalmente comprensible para almacenar e intercambiar datos referentes a los recursos fitogenéticos.

Permite intercambio y almacenamiento de información referente a RR.FF. de un modo rápido, confiable y eficiente

Listas de descriptores.

Introducción 2 12

Formato “clásico”. • DATOS DE PASAPORTE:

– Registro de la accesión en el banco de germoplasma.– Información proporcionada por los recolectores. Parámetros que se deberían

observar cuando se recolecta originalmente la accesión.• CARACTERIZACIÓN: Medición o evaluación de aquellos caracteres

que son altamente heredables, que pueden ser fácilmente observados y que se expresan en todas las condiciones ambientales.

Listas de descriptores de BIOVERSITY

Introducción 2 13

Formato “clásico” (2) • EVALUACIÓN PRELIMINAR: Medición o evaluación de un número

limitado de caracteres complementarios y acordados por consenso entre las personas que trabajan con un material vegetal concreto.

• EVALUACION POSTERIOR:– Rendimiento, productividad agronómica, susceptibilidad al estrés

(útiles en la mejora de un cultivo)– Caracteres bioquímicos, citológicos o moleculares.Muchos de los descriptores de esta categoría son susceptibles a las

variaciones ambientales, por lo que suelen requerir ensayos replicados dilatados en el tiempo.

Listas de descriptores de BIOVERSITY (2)

Introducción 2 14

Formato actual• DATOS DE PASAPORTE• DESCRIPTORES DE MANEJO: Proporcionan las bases para el manejo

de accesiones en el banco de germoplasma y ayudan durante sumultiplicación / regeneración.

• DESCRIPTORES DEL SITIO Y MEDIO AMBIENTE:– Parámetros específicos del sitio y ambientales donde realizan

pruebas de caracterización y evaluación. Pueden ser importantespara la interpretación de los resultados de esos procesos.

– Descriptores del sitio de recolección del germoplasma (también seincluyen en esta categoría)


Introducción 2 15

Formato actual (2)• DESCRIPTORES DE CARACTERIZACIÓN:

– Caracteres altamente heredables, pueden ser fácilmentedetectados a simple vista y se expresan igualmente en todos losambientes.

– Además pueden incluir un número limitado de caracteresadicionales que son deseables según el consenso de los usuariosde un cultivo en particular.

• DESCRIPTORES DE EVALUACIÓN: (Análogo a evaluación posterioren el “formato clásico”).


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DOCUMENTO: De Vicente, C. Metz, T and Alercia, A. 2004. Descriptors for Genetic Markers Technologies. International Plant Genetic Resources Institute. Rome, Italy.http://www.bioversityinternational.org/nc/publications/publication/issu

e/descriptors_for_genetic_markers_technologies.html– Definen la información mínima que se necesita para describir la

tecnología de un marcador genético (entendiendo como tales a los marcadores moleculares).

Descriptores BIOVERSITY para marcadores moleculares.

Introducción 2 17

Información contenida:1. Identificación del marcador y nombres.

– Universal Marker Identifier (UMI)Es la identificación única de un marcador y nunca debe ser reasignada.

– Nombre canónico del marcador:Este nombre debe incluir información sobre el nombre del marcador, y según corresponda las secuencias de cebadores utilizados, el número de serie de un kit comercial, una combinación de enzimas de restricción, etc.

2. Taxonomía de la especie– Número de accesión del material vegetal a caracterizar en el banco de

germoplasma del que procede.– Sistemática del material vegetal analizado.

Género – Especie – Niveles taxonómicos inferiores.

Descriptores BIOVERSITY para marcadores moleculares (2).

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3. Naturaleza y tipo de los marcadores – Marcadores basados en proteínas

• Isoenzimas• Proteínas de reserva (en las semillas)• Proteínas solubles totales

– Marcadores basados en compuestos metabólicos• Perfiles de polifenoles• Flavonoides• Carbohidratos• Aceites• Otros metabolitos secundarios


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– Marcadores basados en el ADN• Basados en técnicas de hibridación: RFLP• Que utilizan de alguna manera la reacción de la PCR:

– RAPD– Microsatélites– AFLP– CAPS– EST (no desarrollado explícitamente en el descriptor)– Inter-SSR (no desarrollado explícitamente en el descriptor)– SNPs (no desarrollado explícitamente en el descriptor)– SCAR (no desarrollado explícitamente en el descriptor)– Secuenciación de productos de PCR (no desarrollado explícitamente

en el descriptor)– Marcadores basados en el fenotipo

3. Naturaleza y tipo de los marcadores


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4. Condiciones experimentales. Recopila información detallada de acerca de las condiciones técnicas de los procesos de:

• extracción de isoenzimas o ADN• amplificación en el caso de la PCR• electroforesis para la separación de isoenzimas o fragmentos ADN• visualización o revelado.

5. Interpretación de los marcadores.– Isoenzimas:

• Control genético: Número de genes involucrados; número de alelos/gen• Estructura molecular del enzima

– Marcadores moleculares-ADN• Marcador de tamaños moleculares utilizado• Longitud de los productos de amplificación• Número de bandas únicas o alelos obtenidos para los genotipos empleados como

referencia.• Tipo de dominancia: Si el marcador es dominante o codominante


Introducción 2 21

6. Utilización de los resultados.– Fingerprinting (e.g. Identificación duplicados)– Medición de la diversidad o distancia genética– Clasificación taxonómica– Identificación de susceptibilidades al estrés biótico o abiótico.– Localización en el mapa genético.– Marcadores de caracteres de interés– Análisis del sistema reproductivo (porcentajes de alogamia y flujo de genes)


Introducción 2 22

Técnicas utilizadas en los trabajos de caracterización de germoplasma vegetal publicados en el quinquenio 2009-2014 (SCI-JCR)

Morfología solo29%

Marcadores moleculares solo

54%

Morfología y marcadores moleculares

15%

Isoenzimas solo2%

Morfología, marcadores

moleculares e isoenzimas

0%

Introducción 2 23

Técnicas moleculares utilizadas en los trabajos de caracterización de germoplasma vegetal publicados en el quinquenio 2009-2014 (SCI-JCR)

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