ES2307308T3 - Secuencia de adn que confiere una esterilidad masculina citoplasmica, genoma mitocondrial, genoma nuclear, mitocondria y planta que contiene esta secuencia, y procedimiento de preparacion de hibridos. - Google Patents
Secuencia de adn que confiere una esterilidad masculina citoplasmica, genoma mitocondrial, genoma nuclear, mitocondria y planta que contiene esta secuencia, y procedimiento de preparacion de hibridos. Download PDFInfo
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Abstract
LA PRESENTE INVENCION SE REFIERE A UNA PLANTA QUE PERTENECE AL TIPO BRASSICA QUE POSEE UN GENOMA QUE CONFIERE UNA ESTERILIDAD MACHO CITOPLASMICA A DICHA PLANTA. ESTA SE REFIERE TAMBIEN A UN PROCEDIMIENTO DE PREPARACION DE PLANTAS HIBRIDAS QUE UTILIZAN TAL PLANTA, ASI COMO A UN HIBRIDO ASI OBTENIDO.
Description
Secuencia de ADN que confiere una esterilidad
masculina citoplásmica, genoma mitocondrial, genoma nuclear,
mitocondria y planta que contienen esta secuencia, y procedimiento
de preparación de híbridos.
La presente invención se refiere a un material
biológico que posee una esterilidad masculina útil para el
desarrollo de variedades híbridas de especies de interés
agronómico.
Se refiere en particular a una planta que
pertenece a la familia de las cruciferáceas, el citoplasma de cuyas
células contiene orgánulos que poseen secuencias nucleotídicas que
confieren una esterilidad masculina y buenas características
agronómicas.
El desarrollo de variedades híbridas puede ser
facilitado o hecho posible mediante la utilización de un sistema de
esterilidad masculina citoplásmica. Los híbridos se obtienen
mediante la fecundación cruzada entre dos poblaciones parentales,
una que desempeña el papel masculino, y la otra, el femenino. Una de
las dificultades encontradas cuando se desea obtener variedades
híbridas de calidad uniforme mediante cruzamiento sexuado en
especies autógamas, es la capacidad de la planta de autopolinizarse.
Los sistemas de esterilidad masculina permiten obtener plantas
femeninas incapaces de autofecundarse y en las que después de la
polinización, se pueden recolectar directamente las semillas que
son todas híbridas sin recurrir a técnicas laboriosas tal como la
castración de las flores.
Entre los determinantes genéticos de la
esterilidad masculina, existen los que son transportados por el
citoplasma. En cada generación sexuada, son transmitidos
exclusivamente por la madre. Se obtiene así un 100% de ejemplares
estériles masculinos en cada generación, con un sistema de
esterilidad masculina citoplásmica (CMS). Estos determinantes
genéticos son transportados por el genoma de las mitocondrias.
Un sistema de esterilidad masculina citoplásmica
apropiado en las cruciferáceas, se define por las características
siguientes:
- 1)
- La esterilidad masculina debe ser total, es decir, que cualquiera que sean las condiciones de cultivo y cualquiera que sea la progenie que se quiere utilizar como la hembra parental, no debe existir producción de polen. En caso contrario, las semillas recolectadas en estas plantas hembras habrían surgido en parte de autofecundación, y, por tanto, no serán del tipo híbrido F1.
- 2)
- La producción de estas semillas debe llevarse a cabo aprovechando los vectores naturales del polen, es decir, en el caso de estas especies, los himenópteros, los dípteros, y el viento. El polen debe ser transportado desde las plantas polinizadoras a las plantas masculinas estériles (hembras). De hecho, únicamente los insectos pueden asegurar este transporte a distancia en las cruciferáceas.
- Las plantas femeninas, por consiguiente, deben ser lo suficientemente atractivas para los insectos que vienen a buscar el néctar. La morfología de las flores debe obligar al insecto a realizar esta búsqueda por la parte superior de la flor, de forma que su tórax, principalmente, entren en contacto con el estigma. Prácticamente, esto corresponde a que la base de los pétalos debe formar una especie de tubo alrededor de la base del pistilo.
- 3)
- La morfología de los órganos femeninos (pistilos) debe ser idéntica a la de una planta fértil, en particular, un único pistilo por flor y de forma rectilínea. Efectivamente, sucede a menudo que las esterilidades masculinas se traducen asimismo por una feminización de las anteras que se transforman en pseudopistilos, e incluso por la transformación de los nectarios en flores completas. Sucede también que el o los pistilos así producidos, se deformen. Todas estas alteraciones no permiten una buena producción de semillas, y se puede hablar de una cierta esterilidad femenina.
- 4)
- Para la producción de variedades híbridas F1 en las especies de las que se recolectan las semillas, como la colza o las mostazas, es indispensable que el padre masculino del híbrido anule totalmente el efecto del citoplasma masculino estéril, de forma que las plantas híbridas sean fácilmente polinizadas.
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En las cruciferáceas, el primer caso de
citoplasma masculino estéril o CMS, fue descrito por Ogura (1968)
en el rábano, Raphanus sativus. Bannerot (1974, 1977), ha
transferido el citoplasma de Ogura a las Brassicae, obteniendo de
este modo plantas que poseen una esterilidad masculina citoplásmica.
Estas mismas plantas no presentaban características agronómicas
satisfactorias (clorosis durante el descenso de las temperaturas,
mala fertilidad femenina), lo que produjo un mal rendimiento que no
las hacía aptas para la utilización comercial.
Para evitar esta clorosis en las crucíferas,
conviene asociar en la misma célula los genomas nucleares y
cloroplásticos de un mismo género. De este modo, las plantas de
Brassicae que poseen uno de los genomas cloroplásticos de
Brassicae, ya no presentan clorosis. Si presentan la totalidad del
genoma mitocondrial Ogura, presentan una esterilidad masculina
citoplásmica total, pero, sin embargo, las flores tendrán una
morfología aberrante que hará imposible su polinización por los
vectores naturales.
Además, para las especies en las que el interés
reside en las semillas, conviene restaurar la fertilidad masculina
de las variedades híbridas que se comercializan mediante los genes
nucleares denominados restauradores.
Es difícil restaurar la fertilidad masculina de
las plantas que poseen la totalidad del genoma mitocondrial Ogura,
puesto que es necesario que intervengan simultáneamente varios genes
restauradores.
El titular se ha propuesto obtener un sistema de
esterilidad masculina apropiado, eliminando los genes responsables
de los caracteres indeseables del citoplasma Ogura, conservando una
esterilidad masculina eficaz y fácil de restaurar.
Por esta razón, la presente invención se refiere
a una secuencia de ADN que se denominará "esterilidad Ogura",
caracterizada porque:
- a)
- es transportada por una secuencia de ADN delimitada por los nucleótidos 928 y 2273 de la figura 1, o
- b)
- presenta por lo menos un 50% de homología con dicha secuencia mencionada en a), y
confiere, cuando se encuentra en el genoma
mitocondrial o nuclear de una planta, una esterilidad masculina
citoplásmica a dicha planta.
En particular, la presente invención tiene por
objeto una secuencia de ADN de esterilidad Ogura, caracterizada
porque:
- a)
- es transportada por una secuencia delimitada por los nucleótidos 928 y 1569 de la figura 1, o
- b)
- presenta por lo menos un 50% de homología con dicha secuencia mencionada en c), y
porque se transcribe en ARN en las mitocondrias
de las plantas masculinas estériles.
En la continuación de la descripción, se hará
referencia a las figuras siguientes:
Figura 1: Secuencia nucleotídica del fragmento
de ADN mitocondrial Ogura del rábano que lleva el carácter CMS.
Figura 2: Mapa de restricción del fragmento de
ADN mitocondrial descrito en la figura 1.
Figura 3: Electroforesis de ADN mitocondrial
después de la digestión por BglI (3a) y NruI (3b). Las bandas
reveladas corresponden a una hibridación con una sonda Coxl (Hiesel
et al, 1987).
Figura 4: Electroforesis de ADN mitocondrial
después de la digestión por SalI. Las bandas reveladas corresponden
a una hibridación con una sonda delimitada por los nucleótidos nº
389 y 1199 de la secuencia descrita en la figura 1.
Figura 5: Frutos producidos por plantas de col
que portan diferentes genomas citoplásmicos.
Figura 6: Electroforesis de ARN mitocondrial.
Las bandas reveladas corresponden a una hibridación con una sonda,
fragmento EcoRI-BamHI, que incluye una parte de la
secuencia denominada ORF B.
La secuencia de ADN de esterilidad Ogura está
definida con respecto a la secuencia delimitada por los números 1 y
2428 en la figura 1. Es transportada por una secuencia transcrita
cuyos extremos 3' y 5' están enlazados mediante punteado en la
figura 2, y que se observa únicamente en las plantas masculinas
estériles. ORF B corresponde a un marco de lectura abierto; esta
denominación se le ha dado después de la homología observada con una
secuencia descrita por Brennicke. En la figura 2, se ha
representado a trazos la secuencia que corresponde a uno de los dos
genes del ARN de transferencia formilmetionina.
La secuencia de ADN delimitada por los
nucleótidos numerados 928 y 2273 en la figura 1, corresponde a un
transcrito que puede visualizarse mediante hibridación molecular
(1,4) como se observa en la figura 6. En esta figura 6, cada
pocillo corresponde a una planta fértil (F) o
masculina-estéril (S). Únicamente las plantas
masculinas estériles sintetizan un transcrito de aproximadamente
1.400 bases. Este transcrito comienza en la posición 928 (\pm10
bases) de la secuencia de la figura 1 y se termina en la posición
2273 (\pm5) (el inicio y la detención de la transcripción pueden
producirse en diferentes posiciones en las mitocondrias
vegetales).
Preferentemente, la presente invención se
refiere a un citoplasma que comprende una secuencia de ADN que
presenta por lo menos una homología del 50% con la secuencia
delimitada por los nucleótidos 928 y 2273 de la figura 1, que
confiere el carácter CMS, o un citoplasma que comprende una
secuencia de ADN que presenta por lo menos una homología del 50%
con la secuencia delimitada por los nucleótidos 928 y 1569 de la
figura 1, y transcrita en ARN, que confiere el carácter CMS y
caracterizado porque:
- -
- comprende unos cloroplastos de la misma especie que el genoma nuclear, o de otra especie, pero compatibles con este genoma nuclear,
- -
- no comprende la totalidad o parte de uno u otro (o de ambos) fragmentos del genoma mitocondrial Ogura, definido a continuación:
- \bullet
- que lleva uno de los dos genes del ARN de transferencia formilmetionina que sirve para la iniciación de la traducción,
- \bullet
- que lleva el gen Coxl, que codifica para la subunidad nº 1 de la citocromo oxidasa.
La ausencia de estos fragmentos, denominados
"secuencias indeseables" es necesaria para obtener unos genomas
mitocondriales que corresponden a una esterilidad masculina de
buena calidad, que responde a las 4 características definidas
anteriormente.
Según otro de sus aspectos, la invención se
refiere a un genoma nuclear o mitocondrial vegetal recombinado,
caracterizado porque comprende una secuencia de ADN de esterilidad
Ogura,
- a)
- que es transportada por una secuencia de ADN situada entre los nucleótidos 928 y 2273 de la secuencia representada en la figura 1, o
- b)
- que presenta por lo menos una homología del 50% con dicha secuencia mencionada en a), y
confiere, cuando se encuentra en el citoplasma
de una planta, una esterilidad masculina citoplásmica a dicha
planta.
En particular, uno de los objetivos de la
presente invención es un genoma nuclear o mitocondrial vegetal
recombinado, caracterizado porque comprende una secuencia de ADN de
esterilidad Ogura,
- c)
- que es transportada por una secuencia de ADN delimitada por los nucleótidos 928 y 1569 en la figura 1,
- d)
- que presenta por lo menos un 50% de homología con dicha secuencia mencionada en c), y
confiere, cuando se encuentra en el citoplasma
de una planta y se transcribe en ARN, una esterilidad masculina
citoplásmica a dicha planta.
Un genoma nuclear o mitocondrial según la
invención puede caracterizarse porque dicho genoma recombinado está
desprovisto de la totalidad o parte de los fragmentos del genoma
Ogura:
- -
- que lleva uno de los dos genes del ARN de transferencia formilmetionina que sirve para la iniciación de la traducción,
- -
- que lleva el gen coxl, que codifica para la subunidad nº 1 de la citocromo oxidasa, o
en el que dichos fragmentos son inactivos.
Más precisamente, un genoma nuclear o
mitocondrial recombinado según la invención, puede
caracterizarse:
- 1)
- porque está desprovisto de la totalidad o de parte de un fragmento de aproximadamente 10,7 kb después de la digestión por BglI, o de un fragmento de aproximadamente 11 kb después de la digestión por NruI, portadores del gen coxl.
Esto se evidencia en particular en la figura 3,
mediante hibridación molecular con una sonda que porta la secuencia
Coxl.
- 2)
- porque está desprovisto de la totalidad o de parte de un fragmento de aproximadamente 5,1 kb después de la digestión por SalI, o de un fragmento de aproximadamente 15 kb después de la digestión por NruI, o de aproximadamente 18,5 kb después de la digestión por BglI, portadores de uno de los dos genes del ARN de transferencia formilmetionina.
Esto se evidencia particularmente en la figura
4, mediante hibridación molecular con una sonda delimitada por los
nucleótidos nº 389 y 1199 de la secuencia descrita en la figura
1.
En las figuras 3 y 4, los genotipos designados
por cifras corresponden a plantas que presentan un sistema de
esterilidad masculina citoplásmica apropiado.
Por otra parte, la existencia de un carácter CMS
de buena calidad necesita la presencia de una secuencia de ADN que
puede ser identificada mediante hibridaciones ADN/ADN sobre las
digestiones. Así, la presente invención se refiere a una secuencia
de ADN tal que se ha podido definir y caracterizar, y que comprende
una secuencia que después de la digestión por NcoI da lugar a un
fragmento de 2,5 kb, después de la digestión por NruI da un
fragmento de 6,8 kb y después de la digestión por SalI da un
fragmento de 4,4 kb.
Esta secuencia puede identificarse asimismo
mediante hibridaciones sobre el ARN total de las plantas masculinas
estériles. Se evidencia un transcrito de aproximadamente 1400 pares
de bases. Esta ausente en las plantas que vuelven a ser
fértiles.
La definición de las secuencias nucleotídicas
"indeseables" y de secuencias nucleotídicas
"indispensables" en una esterilidad Ogura, según la invención,
permite seleccionar, mediante técnicas de hibridación de ADN
conocidas por el experto en la materia, un material vegetal que
porta cloroplastos compatibles con el genoma nuclear y que lleva
mitocondrias de buena calidad, sin esperar obtener una planta adulta
y la aparición de las flores y de los frutos. Se tiene por tanto
una herramienta muy apropiada para seleccionar plantas que poseen
un citoplasma masculino estéril con buenas características
agronómicas.
Según otro aspecto, la invención se refiere a
una mitocondria caracterizada porque contiene una secuencia
nucleotídica que corresponde a un ADN que presenta por lo menos una
homología del 50% con la secuencia delimitada por las bases
numeradas 928 y 2273 en la figura 1, y que codifica para la
esterilidad masculina citoplásmica de Ogura; o bien, la mitocondria
contiene una secuencia de ADN transportada por la secuencia
delimitada por los nucleótidos 928 a 1569 de la figura 1, o que
presenta una homología del 50% con esta secuencia, y transcrita en
ARN en las mitocondrias de las plantas masculinas estériles. Este
ADN puede presentar además las características definidas
anteriormente, en particular la ausencia de las secuencias
indeseables.
La presente invención se refiere asimismo a un
citoplasma de cruciferácea, caracterizado porque contiene una
secuencia de ADN de "esterilidad Ogura" que se encuentra en el
genoma mitocondrial; este citoplasma contiene además unos
cloroplastos de la misma especie o de otra especie, pero compatibles
con el genoma nuclear.
La secuencia "esterilidad Ogura" se
caracteriza porque:
- a)
- es transportada por la secuencia de ADN de 2.428 pares de bases representada en la figura 1,
- b)
- está delimitada por los nucleótidos 928 y 2273 de la figura 1 y corresponde a un transcrito indicado por el punteado de la figura 2 visualizado mediante hibridación molecular (1,4) en la figura 6,
- c)
- presenta por lo menos una homología del 50% con dicha secuencia mencionada en b), y cuando se encuentra en el genoma mitocondrial de una planta, confiere una esterilidad masculina citoplásmica a dicha planta, o
- d)
- es transportada por la secuencia delimitada por los nucleótidos 928 a 1569 de la figura 1 y transcrita en ARN en las mitocondrias de plantas estériles, o
- e)
- presenta por lo menos una homología del 50% con la secuencia descrita en d) y transcrita en ARN en las mitocondrias de plantas estériles.
La presente invención se refiere asimismo a una
planta de la familia de las cruciferáceas, caracterizada porque
contiene unos cloroplastos y un núcleo de la misma especie o
compatibles, y unas mitocondrias que transportan un genoma que
confiere el carácter CMS tal como se ha definido anteriormente.
Más precisamente, la presente invención se
refiere asimismo a una planta que pertenece al género Brassica,
caracterizada porque contiene unos cloroplastos y un núcleo de
Brassica, y unas mitocondrias que transportan un genoma que
confiere el carácter CMS tal como se ha definido anteriormente.
Este genoma mitocondrial debe transportar
asimismo un cierto numero de genes de la especie Brassica
considerada. Esto se obtiene mediante recombinación entre el genoma
Ogura y el genoma Brassica.
En particular, la presente invención se refiere
a una planta que pertenece a la especie Brassica napus,
caracterizada porque comprende un núcleo de Brassica, y porque el
citoplasma contiene unos cloroplastos de Brassica y unas
mitocondrias masculinas estériles que transportan un ADN según la
presente invención, tal como se ha definido anteriormente; estas
mitocondrias pueden transportar asimismo la mayoría de los genes
mitocondriales de Brassica napus (185, Atp9, Atp6, CoxlI,
ndhl, cob). Brassica napus corresponde a Colza, o Canola y
Rutabaga.
La presente invención se refiere a una planta de
la especie Brassica oleracea, caracterizada porque comprende
un núcleo de Brassica y porque el citoplasma contiene unos
cloroplastos de Brassica y unas mitocondrias que comprenden una
secuencia de ADN que codifica para el carácter CMS tal como ha sido
definida.
Brassica oleracea cubre los diversos
tipos de coles: coles repollo, de Bruselas, nabos, brécoles, plantas
forrajeras y coliflores.
La presente invención se refiere asimismo a una
planta de la especie Brassica campestris, caracterizada
porque comprende un núcleo de Brassica y porque el citoplasma
contiene unos cloroplastos de Brassica compatibles con el genoma
nuclear y unas mitocondrias que comprenden una secuencia de ADN que
codifica para el carácter CMS tal como ha sido definida.
Brassica campestris corresponde a
nabinas, nabos, coles chinas, de Pekin y japonesas.
De forma análoga, la presente invención se
refiere a una planta seleccionada de entre el grupo que comprende:
B. juncea, B. nigra, B. hirta, carinata, caracterizada porque
comprende un núcleo de Brassica y porque el citoplasma contiene
unos cloroplastos de Brassica compatibles con el genoma nuclear y
unas mitocondrias que comprenden una secuencia de ADN que codifica
para el carácter CMS tal como ha sido definida.
Según otro de sus aspectos, la presente
invención tiene por objeto una planta que pertenece al género
Brassica y cuyo genoma nuclear comprende una secuencia de
esterilidad Ogura tal como ha sido definida anteriormente, así como
unos elementos que aseguran su expresión y el transporte del
producto de traducción a la mitorcondria. Esta planta puede
pertenecer en particular a una de las especies siguientes: B.
napus, B. oleracea, B. campestris, B. nigra, B. juncea, B.
hirta y B. carinata.
La presencia de la "secuencia de esterilidad
Ogura" es necesaria y suficiente para inducir una ausencia total
de polen en ausencia de genes de restauración. La polinización de
estas plantas está asegurada normalmente gracias a una buena
producción de néctar.
La morfología de los órganos femeninos es normal
y los frutos (silicuas) formados contienen un numero normal de
semillas. La figura 5 muestra la morfología observada en una planta
testigo normal (z), una planta con morfología aberrante que posee
el genoma Ogura completo (z(6)) y cloroplastos de Brassica
oleracea, una planta de col que contiene cloroplastos de
Brassica napus y mitocondrias masculinas estériles con genes
de Brassica napus (z(A)), y plantas que contienen
cloroplastos de Brassica oleracea y mitocondrias recombinadas
que ya no contienen las secuencias indeseables (z(9) y
z(17)). Las plantas tienen las siguientes
características:
Los genotipos z(A) y z(6) no
presentan un sistema apropiado de esterilidad masculina
citoplásmica.
Dichas plantas pueden obtenerse por ejemplo
mediante la técnica de fusión de protoplastos o mediante las demás
técnicas que aseguran una buena recombinación entre el genoma
mitocondrial de la especie considerada y el genoma mitocondrial
Ogura. En dichas plantas, la fertilidad está restaurada por un único
gen de restauración, denominado Rfl, que procede del rábano, lo que
no sucede en el caso de las plantas que transportan la totalidad
del genoma mitocondrial no apropiado.
Dichas plantas pueden obtenerse asimismo
mediante reproducción sexuada natural o artificial.
Pueden obtenerse asimismo mediante transferencia
de gen a la mitocondria, unas plantas que poseen un genoma
mitocondrial según la invención.
En todos los casos, estas plantas poseen un
sistema CMS apropiado, a saber:
- -
- una esterilidad masculina total,
- -
- una morfología que permite una buena polinización y una buena producción de semillas, tal como se muestra en las tablas 1 y 2.
Así, la presente invención se refiere asimismo a
un procedimiento de preparación de plantas híbridas, caracterizado
porque se cruza una planta que presenta un carácter CMS apropiado,
que comprende la secuencia de "esterilidad Ogura" en su genoma
mitocondrial o nuclear con una planta normal cuando se trata de un
cultivo de plantas forrajeras u hortalizas, o con una planta que
aporta un gen restaurador de la fertilidad, Rfl, cuando se trata de
recolectar semillas. Se refiere asimismo a una planta híbrida
obtenida mediante este procedimiento.
Generalmente, las mejores características
agronómicas se obtienen para plantas masculinas estériles, que
poseen cloroplastos de la misma especie que el núcleo y
mitocondrias que presentan una sistema apropiado de esterilidad
masculina.
La tabla 1 representa la productividad de una
progenie de coles en distintos citoplasmas (los genotipos z9 o z17
son apropiados). La tabla 2 representa la productividad de una
progenie de colza en distintos citoplasmas (los genotipos Fu 27, Fu
58 y Fu 85 son apropiados).
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La presente invención tiene asimismo por objeto
una sonda que comprende una secuencia de por lo menos 10 bases,
preferentemente 15 bases, de una secuencia comprendida entre los
nucleótidos numerados 928 y 1569 en la figura 1; dicha sonda puede
marcarse por ejemplo, mediante una base radioactiva o mediante
cualquier otro medio, como por ejemplo mediante fluorescencia. Esta
sonda puede utilizarse para evidenciar la esterilidad masculina y
en particular, en la selección de clones.
Las características y ventajas de la presente
invención se pondrán más claramente de manifiesto a partir de los
ejemplos siguientes.
Ejemplo
1
Por "cíbrido" se designa unas formas
obtenidas mediante la fusión de protoplastos aislados, seguida por
la regeneración de la planta completa. Este modo de obtención
permite la mezcla en la célula de informaciones citoplásmicas que
proceden de los dos padres. El "cíbrido" nº 13 se obtuvo entre
820 plantas regeneradas por fusiones de protoplastos entre un
cíbrido de B. Napus resistente a la triazina, cms de Ogura
(descendencia del cíbrido 77 descrito en Pelletier et al.,
1983 y Chétrit et al, 1985) y la variedad de origen Brutor,
sensible a la triazina, y fértil. Un ensayo de resistencia a la
triazina (Ducruet y Gasquez, 1978), llevado a cabo sobre una
muestra foliar de cada regenerante, ha permitido determinar el tipo
de cloroplasto (cloroplastos resistentes a la triazina procedentes
del parental 77 o cloroplastos sensibles a la triazina procedente de
la progenie Brutor). Se cultivaron las plantas y se observó el
estado de floración. Las plantas que presentan combinaciones no
parentales (sea sensible/masculina estéril, o resistente/masculina
fértil) se han seleccionado como cíbridos. El cíbrido nº 13 era del
tipo sensible/masculino estéril. El cíbrido nº 1 era del tipo
resistente/masculino fértil.
El ADN total se aisló a partir de hojas
procedentes de plantas de 4 semanas según el método descrito por
Dellaporta (1983). El ADN mitocondrial se extrajo de hojas de
plantas de 8 semanas de edad, tal como se ha descrito por Vedel y
Mathieu, 1982, con las siguientes variantes:
las mitocondrias no se purificaron en gradiente
de sacarosa antes de la lisis, y la lisis se llevó a cabo en
sarcosil al 4%, con 0,5 mg/ml de proteinasa K (Boehringer Mannheim
GmbH), en Tris pH 8, 50 mM, EDTA 20 mM. Después de la
precipitación, el ADN mitocondrial se purificó mediante
centrifugación en gradiente de bromuro de
etidio-cloruro de cesio (método
1-Vedel y Mathieu 1982) en tubos de centrifugación
en polialómero.
Los ARN totales se aislaron a partir de hojas o
de yemas florales según Logemann et al., 1987.
Los ARN mitocondriales se extrajeron de
coliflores de 8 semanas de edad, según la técnica de Stern y Newton,
1986.
Se llevaron a cabo tal como se describe en
Pelletier et al., 1983. Los ARN totales o mitocondriales se
cargaron sobre geles de electroforesis que contenían formaldehído,
tal como se ha descrito por Sambrook et al., 1989.
La transferencia de ADN o de ARN sobre filtros
de nylon (Hybond-N, Amersham) se realizó mediante
absorción capilar con 6xSSC o 10xSSPE, respectivamente, siguiendo
las instrucciones del fabricante. La prehibridación y la
hibridación se llevaron a cabo según Amersham, utilizando sondas
marcadas mediante el sistema de marcación de ADN multiiniciador
(Amersham), después de purificación en columnas de Sephadex G50
(Sambrook et al, 1989).
Dos genotecas de progenies cíbrido masculino
estéril (13-7) y revertiente (13-6)
se construyeron en un vector fágico lambda EMBL3 cultivado sobre la
cepa restrictiva de E. Coli Nm 539 (Frischauf et al.,
1983). Se obtuvieron aproximadamente 2,5 x 10^{4} clones por
\mug de ADN mitocondrial.
Las genotecas de ADN mitocondrial se titularon y
se extendieron con el fin de aislar las placas que se transfirieron
a los filtros de nylon tal como se describe en Sambrook et
al., 1989. La sonda de hibridación utilizada para rastrear las
dos genotecas de ADN mitocondrial, se preparó de la forma siguiente:
el fragmento de ADN mitocondrial específico de la cms se eluyó
utilizando el procedimiento Gene clean^{TM} (BIO 101 INC.), a
partir de un producto de digestión de ADN mitocondrial cargado sobre
un gel de agarosa preparativo. El ADN eluido se marcó a
continuación tal como se ha descrito.
La extracción del ADN Lambda, la subclonación
del fragmento NcoI 2,5 en el sitio NcoI de pTrc99A (Amann et
al., 1988), y las extracciones de ADN plasmídico se han llevado
a cabo según los protocolos de Sambrook et al., 1989. Los
plásmidos recombinantes se introdujeron en una cepa de E.
Coli NM522 (Gough y Murray, 1983).
En la primera generación de descendientes
obtenidos mediante la polinización del cíbrido 13 con Brutor,
compuesta por 13 plantas, 5 son totalmente masculinas estériles
(incluidas las plantas 13-2 y 13-7),
una es masculina fértil (nº 13-6) y 7 son
prácticamente completamente estériles con algunas flores masculinas
fértiles.
La planta fértil 13-6 se ha
autopolinizado y cruzado con Brutor. En los dos casos, se obtienen
únicamente plantas fértiles (43 y 42, respectivamente).
En los cruzamientos entre la planta masculina
estéril nº 13-7 y Brutor, 24 descendientes son
completamente estériles y 6 presentan algunas flores fértiles,
resultado similar al obtenido con el propio cíbrido. La planta
13-2 se cruzó con la progenie restauradora RF que es
heterocigótica para los genes específicos de restauración para la
esterilidad masculina Ogura (Chétrit et al., 1985). La
descendencia de este cruzamiento se compone de 53 plantas
masculinas estériles, 37 plantas masculinas fértiles y 9 plantas
prácticamente completamente estériles, aunque presentando algunas
flores fértiles. Estos resultados sugieren que las plantas
masculinas estériles de la familia cíbrida 13 contienen el
determinante Ogura cms, como los otros cíbridos estudiados
anteriormente, con un perfil de restauración más sencillo (Chétrit
et al., 1985).
En esta fase del estudio, pueden considerarse
dos posibilidades: o bien el cíbrido 13 contiene una mezcla de
genomas mitocondriales masculinos fértiles y masculinos estériles, y
se pueden seleccionar más para purificar los dos fenotipos, o el
cíbrido 13 contiene un genoma mitocondrial recombinado de estructura
inestable que vuelve a una configuración "fértil" más estable,
y será imposible conservar un fenotipo masculino estéril homogéneo
entre las generaciones posteriores.
Se han desarrollado plantas masculinas estériles
obtenidas a partir de la descendencia de la planta masculina
estéril nº 13-7, a la vez mediante esquejes y
mediante cruzamiento sexuado con Brutor. Después de un número
variable de generaciones (1 a 5) por los dos métodos, todas las
familias dan plantas fértiles. En cambio, las plantas completamente
fértiles así obtenidas no vuelven a dar nunca plantas estériles.
A la luz de estos resultados, se puede
considerar que la segunda explicación propuesta anteriormente, es
decir, que el cíbrido 13 transporta un genoma mitocondrial
inestable que pierde el determinante Ogura cms durante el proceso
que conduce a una conjuración "fértil", sin posibilidad de
volver a un fenotipo estéril, es la correcta.
El ADN mitocondrial se extrajo de las hojas de
descendientes 13-7 masculinos estériles y de los
fértiles revertientes (descendientes 13-6 ó
13-7) y se digirió con varios enzimas de
restricción, con el fin de comparar su perfil de restricción. Los
genomas mitocondriales de los dos tipos son muy parecidos, puesto
que no se puede observar ninguna diferencia entre los perfiles de
restricción de las mitocondrias masculinas estériles y los de las
fértiles revertientes utilizando distintos enzimas. Sin embargo, un
fragmento de restricción de 6,8 kb, digerido con NruI, se detectó
en el perfil de restricción del ADN mitocondrial de las plantas
masculinas estériles, no habiéndose observado nunca en los perfiles
de las correspondientes plantas fértiles revertientes.
El fragmento (denominado N6,8) se eluyó a partir
de un gel de agarosa, se marcó y se utilizó como sonda en perfiles
de restricción de ADN mitocondrial NruI: se observó una señal
importante de 6,8 kb en todos los descendientes masculinos
estériles del cíbrido 13, mientras que ningún fragmento de este
tamaño se ha hibridado con la sonda en los genomas de mitocondrias
de plantas fértiles revertientes. Además, la sonda N6,8 se hibrida
con un fragmento de 6,8 kb en el ADN mitocondrial Ogura digerido
con NruI, pero no en el de B. napus CV Brutor, mostrando el
origen Ogura de este fragmento.
Se ensayó una genoteca lambda que contenía
extractos de ADN mitocondrial procedente de plantas masculinas
estériles (13-7) con el fragmento marcado eluido, y
entre 8 clones que se hibridaron, se aislaron 2 fagos
recombinantes, que contenían el fragmento N6,8 completo y secuencias
adyacentes. Se obtuvo un mapa de restricción detallado de esta
región. La hibridación de los perfiles de restricción del ADN
mitocondrial procedente de descendientes fértiles y estériles del
cíbrido 13, con N6,8 como sonda, ha permitido limitar la región
específica del genotipo masculino estéril, a un fragmento NcoI de
2,5 kb.
El fragmento NcoI de 2,5 kb se marcó y se
utilizó como sonda, con respecto al ADN mitocondrial procedente de
descendientes 13-7 y 13-6 digerido
con NcoI. Además de la señal de 2,5 kb que es específica del perfil
masculino estéril, se hibridan a la vez varios fragmentos NcoI, en
los perfiles fértiles revertientes y masculinos estériles, estos
fragmentos son de 2,2, 10 y 14 kb. Un fragmento NcoI de 2,7 kb se
hibrida intensamente en el genoma mitocondrial de los descendientes
fértiles y no en el de descendientes estériles. El análisis de este
perfil de hibridación conduce a la conclusión de que el fragmento
NcoI de 2,5 kb, aunque es específico del ADN mitocondrial masculino
estéril, contiene secuencias que se repiten además en el genoma
mitocondrial (en fragmentos de 2,2, 10 y 14 kb después de la
digestión por NcoI), y estas secuencias repetidas están también
presentes en el ADN mitocondrial de individuos fértiles
revertientes, además del fragmento específico de 2,7 kb.
Los ARN totales se extraen de hojas o de yemas
de descendientes de cíbridos 13, o de cíbridos (que proceden de
otros experimentos de fusión) masculinos estériles o fértiles y de
progenie Butor. Las transferencias Northern se realizaron e
hibridaron con una sonda que corresponde a la inserción del clon
Lambda que contiene N6,8 descrito en el ejemplo 3. Se detectó un
transcrito importante de 1,4 kb en todos los cíbridos masculinos
estériles, incluido el híbrido 13-7, mientras que
no se ha observado ningún transcrito de este tamaño en la progenie
Brutor, ni en los dos cíbridos fértiles (diferentes de 13). Por otro
lado, plantas fértiles presentan un transcrito de 1,1 kb que se
hibrida con la sonda, que está ausente o presente a un nivel muy
bajo en todos los cíbridos masculinos estériles ensayados. Varios
transcritos comunes a todas las muestras se hibridan débilmente con
la sonda, a causa del tamaño importante del inserto marcado. Se ha
comprobado que los transcritos mitocondriales pueden detectarse en
muestras de ARN totales mediante la hibridación de la misma
transferencia Northern con un fragmento de ADN que contiene la
secuencia del gen atpa.
El mismo transcrito específico de 1,4 se ha
encontrado en los ARN mitocondriales Ogura extraídos de las
coliflores, utilizando el fragmento NcoI2,5 como sonda. Los límites
exactos de este transcrito se han determinado utilizando como sonda
subclones del fragmento NcoI 2,5.
El cíbrido 1 era masculino fértil. En su
descendencia, la planta 1.12 era fértil y la planta 1.18 era
estéril. La planta 1.12 ha dado en su descendencia plantas
estériles (S_{3}) y plantas fértiles (RF_{3}). La planta 1.18
ha dado plantas estériles (S_{2}) y una rama fértil (RF_{2}).
Las plantas S_{2} y S_{3} son restauradas mediante el mismo
gen nuclear de restauración de la fertilidad polínica que el cíbrido
13 estéril.
El ADN mitocondrial de las plantas S2 y S3,
mediante hibridación con el fragmento NcoI de 2,5 kb marcado, no da
lugar a una señal en 2,5 kb después de una digestión NcoI, ni una
señal en 6,8 kb después de una digestión
NruI.
NruI.
Asimismo, la hibridación sobre los ARN totales
(Northern) con una sonda que corresponde a la secuencia ORFB, no da
lugar a una señal en 1,4 kb como en el cíbrido 13 estéril. Por el
contrario, una sonda que corresponde a la secuencia comprendida
entre los nucleótidos 928 y 1569 de la figura 1 da lugar a una señal
en Northern a aproximadamente 1,3 kb. Esta señal no se encuentra en
el ARN de las plantas RF1, RF2, RF3 o Brutor. Asimismo, es posible
utilizar esta secuencia (928-1569) como sonda en la
transferencia dot de ARN totales y en este caso, todas y únicamente
las plantas masculinas estériles dan lugar a una señal.
Estos resultados indican que las plantas S2 y
S3, aunque masculinas estériles, no han conservado la secuencia
nucleotídica, descrita en la figura 1, en su conformación original y
demuestran que, en esta secuencia, la parte comprendida entre los
nucleótidos 928 y 1569 es la que transporta el determinante
específico "esterilidad Ogura", que da lugar a las plantas
masculinas estériles, cuando esta secuencia se transcribe.
Esta secuencia no posee homología significativa
con las secuencias presentes en los bancos de datos.
\newpage
Ejemplo
2
Se obtuvo una colección de híbridos en la
especie B. napus por fusión de protoplastos entre una colza
portadora del citoplasma Ogura y una colza normal. La primera es
masculino estéril y deficiente en cloro la a baja temperatura, la
segunda es normalmente verde y fértil. Los cíbridos se seleccionaron
de entre las plantas regeneradas y se conservaron los que eran
masculinos estériles y normalmente verdes.
Asimismo, se obtuvo una colección de cíbridos en
la especie B. oleracea por fusión de protoplastos entre una
col portadora del citoplasma Ogura y una col normal. Entre las
plantas regeneradas, se han considerado los cíbridos que eran
masculinos estériles y normalmente verdes.
Estos cíbridos se cruzaron con distintas
variedades, de colza en el primer caso, de col en el segundo. Los
cruzamientos se repitieron en cada generación con las mismas
variedades, de forma que se obtuviera un genotipo definido, cercano
al de la variedad recurrente.
Estas distintas variedades, convertidas de este
modo en los citoplasmas de distintos cíbridos, se sometieron a
ensayos agronómicos para cuantificar la producción de semillas, que
depende de varios factores: una producción de néctar suficiente
para asegurar una polinización por los insectos y una morfología
floral normal para que esta polinización sea eficaz y que los
frutos se desarrollen normalmente.
La colección de cíbridos se ha podido dividir
así en dos lotes:
- -
- un lote de cíbridos que presentan una esterilidad masculina apropiada para la producción comercial de semillas,
- -
- un lote de cíbridos que no presentan todas las características favorables para una buena producción comercial de semillas.
Al primer lote pertenecen, por ejemplo, los
cíbridos de colza n^{os} 27, 58, 85 y los cíbridos de col n^{os}
9, 17, 21, 24, 27c.
Al segundo lote pertenecen por ejemplo los
cíbridos de colza n^{os} 23s, 77, 118 y los cíbridos de col
n^{os} 1, 6, 14.
Los ADN totales de estos cíbridos se sometieron
a digestiones enzimáticas por SalI, NcoI, NruI, BglI, PstI, KpnI.
Las transferencias Southern obtenidas se hibridaron con distintas
sondas mitocondriales Atpa, Cob, CoxI, Atp6, 26S, 18S, y dos
fragmentos del genoma Ogura de 2,5 kb procedente de una digestión
NcoI y de 19,4 kb procedente de una digestión NruI.
Los dos lotes de cíbridos se distinguen
porque:
- a)
- los n^{os} 23s, 77, 11s, en la colza y 1, 6, 11, en la col poseen la región del genoma Ogura que rodea el gen coxl que se reconoce por fragmentos BglI de 10,7 kb o NruI de 11 kb y la región del genoma Ogura que rodea uno de los genes del ARN de transferencia formilmetionina reconocible por fragmentos SalI de 5,1 kb o NruI de 15 kb.
- b)
- los n^{os} 27, 58, 85 en la colza y 9, 17, 21, 24, 27c en la col no poseen las regiones correspondientes que se han reemplazado, a causa de recombinaciones entre los genomas de los dos padres que se han fusionado, por regiones análogas del genoma mitocondrial de colza en los n^{os} 27, 58, 85, de col en los n^{os} 9, 17, 21, 24, 27c.
Se deduce de esto que las dos regiones en
cuestión del genoma Ogura no son deseables si se quiere tener un
sistema de esterilidad masculino apropiado para la producción
comercial de semillas.
Ejemplo
3
Este ejemplo muestra el interés del conocimiento
de las secuencias "esterilidad masculina Ogura" y de las
secuencias no deseables para llevar a cabo una selección inmediata
de los cíbridos obtenidos, sin tener que esperar varios años de
retrocruzamiento y de ensayos agronómicos.
Se fusionan protoplastos de una planta de
Brassica que transporta el citoplasma Ogura con protoplastos de la
especie Brassica considerada. Las colonias procedentes de la fusión
se cultivan in vitro y se ponen a regenerar en un medio que
favorece la formación de yemas (véase Pelletier et al,
1983).
A partir de un gramo de materia fresca, tanto si
se trata de un callo como de un fragmento de la plántula
regenerada, es posible, mediante las técnicas descritas
anteriormente, aislar el ADN total. Después de la digestión por
SalI, la hibridación de tipo Southern con la sonda comprendida entre
los nucleótidos n^{os} 389 y 1199 (véase la figura 1), únicamente
debe dar una señal para un tamaño de 4,4 kb (no debe dar señal en
5,1 kb). Asimismo, después de la digestión por NruI e hibridación
con una sonda que transporta el gen coxl, se debe obtener una señal
para un tamaño distinto de 11 kb.
Estas hibridaciones permiten predecir que se
dispone de una planta que será masculina estéril y que será
apropiada para la producción comercial de semillas.
Ejemplo
4
Este ejemplo es una variante del ejemplo 3 en el
que se imagina que en lugar de llevar a cabo fusiones de
protoplastos, se realiza un cruzamiento sexuado entre los dos padres
en condiciones particulares o con genotipos particulares de manera
que, contrariamente a los procesos conocidos de la fecundación en
los vegetales, existe una mezcla de los citoplasmas de la oosfera y
del tubo polínico o del gameto masculino. Si se describieran dichos
procedimientos, se podrá asimismo llevar a cabo una selección
precoz, en plantas jóvenes procedentes de estas fecundaciones
artificiales utilizando las mismas sondas y los mismos criterios que
en el ejemplo 3.
Ejemplo
5
Este ejemplo muestra el interés del conocimiento
de la secuencia de "esterilidad Ogura" en un tipo de
manipulación genética que se ha descrito ya en la levadura
(Johnston et al, 1988).
A partir de una planta de Brassica normal se
bombardean meristemos o bien células in vitro con
micropartículas recubiertas de ADN que transporta la secuencia de
"esterilidad Ogura". Las plantas obtenidas en la descendencia
de los meristemos tratados o de las plántulas regeneradas, serán
masculinas estériles citoplásmicas si el ADN ha podido penetrar en
las mitocondrias e integrarse en el genoma de estos orgánulos. Se
evitarán de este modo los problemas planteados por las secuencias
indeseables, ya se trate de los cloroplastos del rábano Ogura o de
las secuencias así definidas del genoma mitocondrial Ogura.
Ejemplo
6
Este ejemplo muestra el interés del conocimiento
de la secuencia de "esterilidad Ogura" en la construcción,
mediante ingeniería genética, de una esterilidad masculina nuclear,
de herencia mendeliana y no citoplásmica.
A partir de la secuencia de ADN mitocondrial
delimitada por los nucleótidos 928 y 1569, se puede construir un
gen quimérico que, después de transformación genética de células de
Brassica o de otro género, se transcribirá en el núcleo de células
de las plantas transformadas obtenidas. Si el gen quimérico contiene
una presecuencia que permite la importación a la mitocondria de su
producto de traducción en proteína, estos transformantes serán
masculinos estériles, y este carácter se comportará como un carácter
mendeliano dominante.
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Claims (13)
1. Planta que pertenece al género Brassica,
caracterizada porque comprende un genoma mitocondrial o
nuclear recombinado, presentando dicho genoma mitocondrial o
nuclear una secuencia de ADN de esterilidad Ogura que consiste
en:
- a)
- una secuencia delimitada por los nucleótidos numerados 928 y 2273 en la figura 1, o
- b)
- una secuencia que presenta al menos 50% de homología con dicha secuencia mencionada en a),
y que confiere una esterilidad masculina
citoplásmica a dicha planta.
2. Planta según la reivindicación 1,
caracterizada porque dicho genoma nuclear o mitocondrial
recombinado comprende:
- a)
- una secuencia de ADN delimitada por los nucleótidos numerados 928 y 1569 de la figura 1, o
- b)
- una secuencia que presenta al menos 50% de homología con dicha secuencia mencionada en a)
y que confiere una esterilidad masculina
citoplásmica a dicha planta.
3. Planta según las reivindicaciones 1 a 2,
caracterizada porque dicho genoma nuclear comprende además
una presecuencia que permite la importación a las mitocondrias del
producto de traducción de dicha secuencia.
4. Planta según una de las reivindicaciones 1 a
3, caracterizada porque dicho genoma nuclear o mitocondrial
recombinado no comprende la totalidad o parte de uno y/o de otro de
los dos fragmentos del genoma Ogura:
- -
- que lleva uno de los dos genes del ARN de transferencia formilmetionina que sirve para la iniciación de la traducción,
- -
- que lleva el gen cosI, que codifica para la subunidad nº 1 de la citocromo oxidasa, o
en el que dichos fragmentos son inactivos
5. Planta según una de las reivindicaciones 2 a
4, caracterizada porque dicho genoma nuclear o mitocondrial
recombinado está desprovisto de una parte de la secuencia que es
transportada por un fragmento de 10,7 kb tras la digestión por
BglI, y un fragmento de 11 kb tras la digestión por NruI, revelados
mediante hibridación con una sonda coxI.
6. Planta según una de las reivindicaciones 2 a
5, caracterizada porque dicho genoma nuclear o mitocondrial
recombinado está desprovisto de una parte de la secuencia que tras
la digestión por NruI, da un fragmento de 15 kb, tras la digestión
por SalI da un fragmento de 5,1 kb, y después de la digestión por
BglI da un fragmento de 18,5 kb, y que se revela mediante
hibridación con una sonda que corresponde a la secuencia comprendida
entre las bases 389 y 1199 de la secuencia representada en la
figura 1.
7. Planta según una de las reivindicaciones 2 a
6, caracterizada porque dicho genoma nuclear o mitocondrial
recombinado comprende una secuencia que tras la digestión por NcoI
da un fragmento de 2,5 kb, tras la digestión por NruI da un
fragmento de 6,8 kb, y tras la digestión por SalI da un fragmento de
4,4 kb.
8. Planta según una de las reivindicaciones 1 a
7, caracterizada porque pertenece a una de las especies
siguientes: B. napus, B. oleracea, B. campestris, B. nigra, B.
juncea, B. hirta y B. carinata.
9. Planta según una de las reivindicaciones 1 a
8, caracterizada porque se obtiene mediante la fusión de
protoplastos.
10. Planta según una de las reivindicaciones 1 a
8, caracterizada porque se obtiene mediante reproducción
sexuada.
11. Planta según una de las reivindicaciones 1 a
8, caracterizada porque su genoma mitocondrial recombinado
se obtiene mediante transferencia de gen a la mitocondria.
12. Procedimiento de preparación de plantas
híbridas que consiste en las etapas siguientes:
- a)
- preparar una planta con un genoma mitocondrial o nuclear recombinado y que presenta el carácter masculino estéril según una de las reivindicaciones 1 a 8,
\newpage
- b)
- cruzar la planta obtenida en a) con una planta de la misma especie, que posee eventualmente un gen restaurador de fertilidad Rfl.
13. Planta susceptible de ser obtenida mediante
el procedimiento según la reivindicación 12 y caracterizada
porque comprende una secuencia definida según cualquiera de las
reivindicaciones 1 ó 2; a) o b).
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|---|---|---|---|
| FR9011670 | 1990-09-21 | ||
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