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DEPARTAMENTO DE BIOLOGÍA VEGETAL CURSO DE GENÉTICA

GUÍA DE GENÉTICA 2009 MATERIAL ELABORADO POR LOS DOCENTES

MONTEVIDEO

URUGUAY

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UNIVERSIDAD DE LA REPÚBLICA FACULTAD DE AGRONOMÍA DEPARTAMENTO DE BIOLOGÍA VEGETAL

CICLO DE FORMACIÓN CENTRAL AGRONÓMICA SUBCICLO DE RECURSOS NATURALES

PROGRAMA DEL CURSO DE GENÉTICA 2009

OBJETIVOS A. GENERALES 1. Introducir al estudiante en los conocimientos de la Genética, necesarios para su formación profesional, así como para los cursos posteriores de Fitotecnia, Zootecnia y las distintas producciones. 2. Incentivar en el estudiante el uso del método científico: observación, experimentación, análisis de resultados, elaboración y discusión de hipótesis y el uso de bibliografía. B. ESPECÍFICOS 1) Contribuir a que el estudiante conozca, maneje y aplique adecuadamente en casos concretos los conceptos básicos acerca de: i) Los fundamentos químicos y físicos de las informaciones genéticas de los seres vivos, así como de su regulación y su expresión. ii) El modelo mendeliano de herencia. Las principales variantes de ese modelo, sus causas y sus consecuencias. iii) Los métodos y las herramientas de análisis genético en los diversos tipos de seres vivos. iv) El comportamiento de los genes en las poblaciones. v) La variabilidad genética en los seres vivos, sus diversas fuentes de origen y su importancia en la conservación, el mejoramiento y en la evolución. vi) Algunos aspectos de la moderna tecnología de Genética Molecular, su aplicabilidad y sus perspectivas. 2) Introducir al estudiante en el conocimiento del Método científico y su aplicación a casos sencillos. 3) Promover a que el estudiante recabe y analice informaciones recurriendo a bibliografía y otras fuentes.

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UNIDAD I. ORGANIZACIÓN Y TRASMISIÓN DEL MATERIAL GENÉTICO TEMA 1. GENÉTICA. VARIABILIDAD EN LOS SERES VIVOS. FENOTIPO, GENOTIPO Y AMBIENTE. INTERACCIÓN GENOTIPO AMBIENTE. ORIGEN DE LA VARIABILIDAD. ADN, MUTACIONES, GENES Y ALELOS. TEMA 2. REPRODUCCIÓN EN LOS SERES VIVOS. CICLOS CELULARES: MITOSIS Y MEIOSIS. CROMOSOMAS. ADN EXTRANUCLEAR Y HERENCIA CITOPLASMÁTICA. TEMA 3. EL MODELO MENDELIANO DE TRASMISIÓN DE LOS CARACTERES HEREDITARIOS. LEYES DE MENDEL. INTERACCIÓN INTRAGÉNICA. ALELOS MÚLTIPLES. MÉTODO MENDELIANO. GENEALOGÍAS. PROBABILIDAD Y CHI CUADRADO. TEMA 4. GENES LIGADOS. ENTRECRUZAMIENTO Y RECOMBINACIÓN. MAPAS GENÉTICOS. GENES LIGADOS A LOS CROMOSOMAS SEXUALES. TEMA 5. INTERACCIÓN GÉNICA. EPISTASIS. HERENCIA MULTIFACTORIAL. TEMA 6. GENÉTICA CUANTITATIVA. CARACTERES DE VARIACIÓN CONTINUA. ESTIMACIÓNES DE NÚMERO DE GENES Y DE EFECTO DE LOS GENES. ADITIVIDAD. DOMINANCIA. INTERACCIÓN. PARTICIÓN DE LA VARIANZA FENOTÍPICA. HEREDABILIDAD.

UNIDAD II. GENÉTICA MOLECULAR TEMA 7. ESTRUCTURA DEL GEN EUCARIÓTICO. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA. TEMA 8. ORGANIZACIÓN DEL GENOMA EUCARIÓTICO. TEMA 9. ANÁLISIS Y MANIPULACIÓN DEL GENOMA. GENÓMICA ESTRUCTURAL Y FUNCIONAL. INGENIERÍA GENÉTICA.

UNIDAD III. GENÉTICA EVOLUTIVA Y DOMESTICACIÓN DE LAS ESPECIES TEMA 10. LOS GENES EN LAS POBLACIONES. FRECUENCIAS GENÉTICAS. POBLACIÓN EN EQUILIBRIO. FACTORES QUE INFLUYEN EN LAS FRECUENCIAS Y SUS CONSECUENCIAS. TEMA 11. VARIACIONES EN LA ESTRUCTURA Y EN EL NÚMERO DE LOS CROMOSOMAS. CONSECUENCIAS GENÉTICAS. TEMA 12. EVOLUCIÓN NATURAL Y DOMESTICACIÓN. ESPECIACIÓN. HIBRIDACIONES INTERESPECÍFICAS. ORIGEN DE ALGUNAS ESPECIES CULTIVADAS Y SU DOMESTICACIÓN.

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METODOLOGÍA El curso se desarrollará mediante 2 clases semanales teórico-prácticas de dos horas de duración, (en 8 grupos de 25 estudiantes aproximadamente) y dos clases teóricas semanales de dos horas de duración. EVALUACIÓN Consistirá en: a) En la primera semana de clases se entregará una carpeta de preguntas y/o ejercicios, como tarea domiciliaria. Esta carpeta, servirá como guía de estudios y no se exigirá su entrega.- En la 3ª semana en los grupos teórico-prácticos se seleccionarán al azar una o dos de esas preguntas para cada estudiante, las que deberán ser respondidas en clase, sin consulta bibliográfica. Esta prueba tendrá un puntaje máximo de 20 puntos. b) Se realizará una prueba parcial escrita cuyo máximo serán 60 puntos, en la 6ª semana. c) Posteriormente a esa prueba parcial se entregará una 2ª carpeta de preguntas y/o ejercicios, también a modo de tarea domiciliaria, relacionada con las últimas unidades del curso. Esta carpeta, servirá como guía de estudios y no se exigirá su entrega. En el último teóricopráctico del curso se seleccionarán al azar una o dos de esas preguntas para cada estudiante, las que deberán ser respondidas en clase, sin consulta bibliográfica. Esta prueba tendrá un puntaje máximo de 20 puntos. Para todas las pruebas de evaluación, pero en especial para las carpetas, se procurará que, para responder las preguntas, el estudiante, además de apoyarse en las clases, deba consultar e interpretar la bibliografía disponible.Aprobación del curso: de acuerdo con los reglamentos vigentes, el curso se aprueba con 51 puntos como mínimo. Se podrá exonerar del examen a los estudiantes que alcancen 80 o más puntos en el curso y que tengan el 50% como mínimo en cada una de las 3 pruebas parciales. BIBLIOGRAFIA Bibliografía básica • Tamarín, R.H. Principios de Genética. Ed. Reverté. 1996 • Strickberger, M. W. Genética. Ed. Omega. S.A. 1988 • Griffiths, A.J.; Miller, J.H.; Suzuki, D.T.; Lewontin, R.C.; Gelbart, W.M. An Introduction to Genetic Analysis. Ed. W.H. Freeman & Co. 1998. - Hay versión en español en biblioteca de la Facultad de Medicina.- Hay versión electrónica en inglés en: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/ - Los capítulos más importantes para el curso se encuentran para fotocopiar en AEA.• Versión electrónica de Conjunto de problemas de genética mendeliana (Español): http:// www.biologia.arizona.edu/mendel/mendel.html Bibliografía complementaria • Griffiths, A.J.; Gelbart, W.M.; Miller, J.H.; Lewontin, R.C. Modern Genetic Analysis Sólo versión electrónica en: www.ncbi.nlm.nih.gov/books/

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Lewin B. Genes IV. Ed. Reverté. 1993. Stanfield, W. D. Genética. Ed. McGraw-Hill. 1978 Allard, R. W. Principios de la mejora genética de las plantas. Ed. Omega. 1980 Falconer, D. S. Introducción a la Genética Cuantitativa. Ed. Cecsa. 1970.Nelson, D. L, & M.M. Cox. Lehninger. Principios de Bioquímica. Ed. Omega. 3era Edición. 2001. • Hartl, D.L. y Jones, E.W. Genetics. Analysis of genes and genomes. Ed. Jones and Bartlett. 2001. Caps. 1, 2 y 3 disponibles en versión electrónica en: http://www.jbpub.com/ genetics/home.cfm

EQUIPO DOCENTE: Dr. Orfeo Crosa. Prof. Agregado de Genética DT Dra. Cristina Mazzella. Prof. Agregada de Genética DT Dra. Ing. Agr. Clara Pritsch. Prof. Agregado de Genética DT Lic. MSc. Jorge Pereira. Prof. Adjunto de Genética DT Lic. MSc. Magdalena Vaio. Asistente de Genética Lic. Susana Rodríguez. Ayudante de Genética Instructivo para el estudiante de la GUÍA DE GENÉTICA En la Guía de Genética el estudiante encontrará , de acuerdo con el orden temático del Programa, una serie de ejercicios, preguntas y otras propuestas que no pretenden ser exhaustivas ni suficientes sino solamente una guía para el estudio de la asignatura. Se presentan en cada tema ejercicios básicos que el estudiante deberá hacer antes de los teórico-prácticos respectivos y que se discutirán en clase. Además encontrará ejercicios o preguntas complementarias que no necesariamente se discutirán en clase pero que el estudiante debe estar capacitado para responder si su preparación ha sido adecuada. En todos los casos para la comprensión y resolución previa el estudiante debe apoyarse en las clases teóricas y en la bibliografía que se recomienda en el Programa. En las clases teórico-prácticas los ejercicios y preguntas de la guía no sólo serán usadas como entrenamiento en su resolución sino también como complemento del desarrollo de los conceptos del tema. Por lo tanto el intento previo de resolución por parte del estudiante es imprescindible para que el tiempo en clase sea dedicado a la eliminación de dudas y el completo desarrollo conceptual del tema.

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UNIDAD I - TEMA 1 Genética. Variabilidad en los seres vivos. Fenotipo, Genotipo y ambiente. Interacción. Origen de la variabilidad. Objetivos 1. Introducir los conceptos iniciales acerca de la variabilidad en los seres vivos. 2. Conocer su composición y su origen. Conceptos principales 1. El fenotipo de los seres vivos se origina en la acción del ambiente sobre el genotipo y la interacción entre ambos. 2. La variabilidad entre seres vivos puede ser de origen ambiental o genético. 3. Esta última se genera por mutaciones y se multiplica especialmente en el proceso de reproducción sexual. (Ver Meiosis y fecundación, en el tema 2). 1.- Para algunos organismos de experimentación es posible hacer copias del mismo (reproducción vegetativa), realizando luego ensayos que permitan determinar diferencias fenotípicas. El siguiente estudio (Figura 1) fue realizado con la planta “altarreina” (Achillea millefolium) consistió en colectar 7 plantas cada una de un origen distinto y clonarlas. Se plantaron una de cada origen a 3 distintas altitudes: 30 metros, 1400 metros y a 3050 metros sobre el nivel del mar y se midieron las alturas de las plantas maduras. a) ¿Cuál es el promedio de las alturas en cada altitud? ¿Qué sucede con respecto al promedio y el crecimiento de las plantas de origen 4? b) ¿Hay algún genotipo que crezca mejor que el resto en los 3 niveles de altitud? Analice comparativamente los genotipos 1 y 6 en las diferentes alturas. c) ¿Cuántos fenotipos distingue? ¿Se corresponden con cada genotipo? ¿Por qué? d) Grafique en un mismo par de coordenadas el crecimiento de cada uno de los 7 distintos genotipos en las 3 diferentes altitudes. e) En la gráfica resultante defina los distintos componentes del fenotipo: genotipo, am biente e interacción genotipo ambiente. f) Resuma este experimento en un párrafo de 15 renglones como máximo indicando: método utilizado, resultados obtenidos, y principales conclusiones. 2.- Conteste las siguientes preguntas: a) ¿Qué relación tiene los genotipos y fenotipos de las plantas compuestas de la especie Achillea milliefolium que analizó con el ADN de dichas plantas? b) ¿Cómo se explica que una misma especie vegetal presente individuos con distintos genotipos como concluyó en el caso de A. milliefolium? c) ¿Qué diferencias espera encontrar en el ADN y el los procesos de transcripción y traducción entre una planta que posee la secuencia normal de ADN en un gen y otra planta que posee solamente la versión mutante de ese gen.? d) ¿Qué se entiende por alelo? e) ¿Qué son las mutaciones puntuales denominadas: sustitución, delección, adición? ¿Cuáles son sus posibles orígenes? ¿Qué consecuencias podrían generar en el genoma y a nivel fenotípico?

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Figura 1

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3.- Dada la siguiente secuencia parcial de bases de ADN de un gen: +1 * 5' G A C G T T A G C T A T G C A T G G G A A G G T C C T C A T C C T C T A A A G A C 3' 3' C T G C A A T C G A T A C G T A C C C T T C C A G G A G T A GG A G A T T T C T G 5' Si la hebra codificante fuese la superior: i) ¿Puede identificar el inicio de la región estructural y reguladora del gen? ii) Escriba el mRNA y el polipéptido correspondiente iii) Indique el sentido de la transcripción y traducción señalando la localización subcelular de cada uno de estos procesos. iv) ¿Cuál de las dos hebras suele escribirse en la literatura y por qué? v) Escriba tres mutaciones puntuales: una que altere la secuencia aminoacídica del polipéptido; otra en la región estructural pero que no altere el polipéptido resultante; otra en la región reguladora explicando qué alteración podría originar. EJERCICIOS COMPLEMENTARIOS: 1.- La fotografía que se presenta (Figura 2) es de un corte del tronco de un árbol Pino de incienso. En el mismo se puede estudiar la historia climática de una sección de árbol de 62 años (nacido en 1904). Durante ese periodo ha pasado por fuego, sequía, lluvias abundantes, plagas, y todo se registra en sus anillos. Normalmente cada año se produce un solo anillo de crecimiento. Analice la fotografía del corte e indique: a) ¿En qué zonas el crecimiento fue en círculos concéntricos (normal) y en qué zonas se encuentra forma asimétrica de crecimiento? b) Establezca zonas donde los anillos de crecimiento tienen separación amplia, mediana o estrecha. c) En base a lo anterior, plantee cómo los aspectos medioambientales que se detallan a continuación pueden haber influido para dar en cada zona los distintos aspectos fenotípicos que Ud. analizó. Tenga en cuenta los siguientes factores como guía: i) 1909 época de crecimiento bueno y rápido, sin disturbios, con abundantes lluvias y sol en primavera y verano ii) 1914 época de disturbio, la caída de otro árbol lo vuelca hacia un lado iii) 1924 época en que está rodeado de una población de árboles más altos. iv) 1927 época en que la población de árboles que lo rodean son talados. v) 1930 un fuego barre el bosque, afortunadamente este árbol es sólo herido levemente. vi) 1942 una prolongada sequía vii) 1957 plaga de larvas de un insecto (“sawfly”= mosca serrucho) las que se alimenta de hojas y yemas d) Relacione los cambios fenotípicos observados en los anillos de crecimiento con el metabolismo de las células de esos tejidos y con la información contenida en el ADN de ese árbol.

1909.- El árbol crece rápidamente, sin disturbios. Hay suficiente disponibilidad de lluvia y de luz solar en primavera y verano. Los anillos son relativamente amplios y regularmente espaciados.

1904.- El árbol – una semilla germinando – ha nacido

Este árbol tiene 62 años de vida. Ha atravesado incendios, sequías, plagas y momentos óptimos. Todo está registrado en sus anillos

Figura 2

1957.- Otra serie de anillos finos ha sido causada por una larva que come las hojas y brotes de muchas coníferas.

1942.- Estos anillos finos han sido originados en una prolongada sequía. Uno o dos veranos secos no hubieran sido suficientes para para desecar el suelo al punto de enlentecer tanto el crecimiento.

1930.- Un incendio ha atacado el bosque. El árbol solo ha sido chamuscado de un lado y luego, año tras año, nueva madera se ha ido incorporando por encima

1927.- Los árboles de alrededor han sido cosechados. Los más grandes han sido eliminados y el árbol puede crecer rápidamente otra vez.

1924.- El árbol está creciendo rápidamente de nuevo. Pero sus vecinos también y sus copas y sus sistemas radiculares compiten por la luz solar y por el agua que el árbol necesita.

1914.- Cuando el árbol tenía 10 años, algo lo empujó inclinándolo. Los anillos son ahora más anchos del lado de abajo en la medida que ha ido construyendo “madera de reacción” para ayudarle a soportarlo.

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UNIDAD I - TEMA 2 1ª parte Mitosis - Ciclos Biológicos Objetivos 1. Ubicar los procesos de división celular en el ciclo biológico de un ser vivo, en especial en vegetales. 2. Reconocer los principales acontecimientos de la mitosis y sus consecuencias genéticas. 3. Reconocer las formas de caracterizar a los distintas especies según número y tipo de cromosomas. Principales conceptos 1. La mitosis no modifica la composición genética de cada célula. Mantiene el número de cromosomas. 2. En la mitosis dos copias idénticas (duplicación semiconservativa) de la información genética, orga- nizadas en dos cromátidas se distribuyen hacia las dos células hijas resultantes. 1.- a) En plantas de un cultivo de cebada se analizaron núcleos celulares del meristemo de raíz y de una parte del cambium en división. En ambos casos se observaron en metafase: 14 cromosomas. ¿Era esto predecible? ¿Cómo será la constitución del genotipo (general) y del genoma de ambas células? b) Analice la Figura 4 y describa las tres principales características de cada una de las fases de la MITOSIS: PROFASE, METAFASE, ANAFASE Y TELOFASE c) ¿A qué se debe que en un organismo todas las células somáticas o vegetativas tengan la misma constitución genética. ? d) ¿En qué etapas del ciclo celular de una células somática en división mitótica la cantidad de ADN es 2C, en cuál es 4C y en cuál es C? e) Marque en la fotografía (figura 1-3) que se presenta y sobre los cromosomas de Crepis pulchra (Compuesta= Asteraceae) (2n=2x=8): brazo cromosómico ............................... telómero ................................................. centrómero o constricción primaria ........ cromátida hermana ................................ constricción secundaria ......................... región satélite ........................................

(brazos: p y q) (tel) (cen) (cromátida h.) (const. 2º) (sat)

f) ¿Qué representa el IDIOGRAMA de cuatro cromosomas de la parte b) de la fotografía? 2.- Analice la Figura del Ciclo biológico (Figura 5) de un vegetal superior. a) ¿En qué parte del ciclo ubica procesos de división mitótica y en dónde ocurre divisiones meióticas. Identifique en la semilla regiones con distintos niveles de ploidía y explique sus orígenes. b) El embrión de dicha semilla posee mitocondrias y plastidios (o plastos) con ADN que es extranuclear. ¿Cuál fue la vía de transmisión desde la planta progenitora y qué consecuencias tiene debido a su origen?

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c) Si llamamos A, a; B, b; D, d; a los 3 pares de cromosomas de una especie diploide ¿cuál de los siguientes complementos cromosómicos esperaría encontrar en las células somáticas de esa planta?: AABBDD, AaBbDd, aabbdd, o AABbDb, y por qué.

Figura 4

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Figura 5

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UNIDAD I - TEMA 2 2ª parte Meiosis Objetivos 1. Reconocer las etapas más importantes del proceso meiótico y sus principales consecuencias. 2. Reconocer el proceso meiótico como generador o multiplicador de la variabilidad genética. 3. Sentar las bases para la comprensión de las Leyes de Mendel. Principales conceptos 1. La Meiosis reduce el número de cromosomas a la mitad en un proceso constituido por dos divisiones celulares. 2. Los cromosomas homólogos duplicados, se aparean y luego se distribuyen en las dos células hijas de la primera división. 3. Las dos cromátidas componentes de cada cromosoma, se distribuyen en las dos células hijas de la segunda división. 4. Entre el proceso de distribución aleatoria de los cromosomas en las anafases y la recombinación entre los homólogos apareados en el paquiteno, se genera o se multiplica la variabilidad genética preexistente. No hay dos productos meióticos diferentes. 1.- Si obtenemos una muestra representativa de los granos de polen que puede formar una planta con pares cromosómicos que llamaremos 1 1´, 2 2´, 3 3´ complete el siguiente “árbol dicotómico” y escriba todas las COMBINACIONES CROMOSÓMICAS que esperaría encontrar en ellos. ¿Cuántas combinaciones distintas se darán en este caso?. ¿Qué probabilidad de aparición tiene cada combinación? Combinaciones cromosómicas en los núcleos haploides: 3 2 1 2´

1´

2

2´

..........................

3´ .......................... 3

..........................

3´ .......................... 3

..........................

3´ .......................... 3

..........................

3´ .......................... 2.- Se sabe que la constitución cromosómica del embrión de una semilla de una especie de gramínea es el siguiente, y los cromosomas sin tilde son de origen materno y los restantes de origen paterno: 1 1' - 2 2' - 3 3' - 4 4' - 5 5' - 6 6' - 7 7' a) El número 2n de cromosomas o complemento cromosómico de esta especie es: ........ b) El número y la composición cromosómica del endosperma de esta semilla son, respectivamente: ............ y .............. c) Cuando esa semilla germine, la constitución cromosómica de las células somáticas de la planta resultante será: ..................... porque .............................................................................

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d) En las células que transitan en metafase I meiótica de esta planta, el número de bivalentes que se espera observar es: ............... e) ¿Cómo se explica que en una célula en metafase II de esa planta hay 7 cromosomas y no 14? f) ¿Cuál es el número y cuál es la constitución cromosómica de los granos de polen producidos por dicha planta?. Para esta última parte limítese a analizar la distribución de centrómeros maternos y paternos (y no la presencia de cromátidas de tipo recombinante y de tipo parental). 4.- Si en una población de una especie diploide hay dos alelos para un gen: a) dibuje sobre un par de cromosomas metacéntricos cuáles son todas las posibles combinaciones de dichos alelos que se podrían encontrar en distintos individuos. b) ¿Qué se entiende por individuo homocigota para ese gen y a qué se le llama heterocigota?. c) ¿Cuántos homocigotas distintos podría haber en una población? 5.- Realice un esquema de la Meiosis e indique en qué etapas se puede generar variabilidad y de qué tipo. 6.- Analice la Figura 6 donde se representan esquemáticamente algunas etapas de la Meiosis: - Se dibujaron solamente dos pares de cromosomas (de un complemento cromosómico mayor) - En cada uno se representa un solo gen (de los cientos de genes que posee cada cromosoma). a) ¿Qué representan las vías 3 superior y 3 inferior?. b) ¿Qué fase está representada en la etapa 4? c) La etapa 5 representa las Anafases II. ¿Qué variabilidad presenta cada juego de cromosomas que están segregando? 7.- Realice un esquema indicando modos de reproducción en vegetales (reproducción sexuada, por apomixis, propagación vegetativa). Analice comparativamente cuáles generan en su progenie mayor amplitud genética y en cuáles se genera mayor variabilidad. 8.- Si compara especies autógamas con especies alógamas, ¿qué puede comentar de la variabilidad que se genera en ambas debido al proceso de la meiosis?. Defina qué es una línea pura y cómo se puede lograr obtenerlas. EJERCICIOS COMPLEMENTARIOS 1.- En los casos de animales con sistema de determinación sexual XX/ XY, ¿qué diferencia habrá en meiosis con relación a un gen localizado en la región homóloga de ambos cromosomas y un gen localizado en la región no homóloga del cromosoma X?. 2.- En Lotus tenuis el número cromosómico es 2n = 12 (cuatro pares metacéntricos y dos submetacéntricos). a) ¿Cuál es el número de centrómeros que se espera observar en un solo NUCLEO en: Metafase I: ................ Anafase I: ............... Metafase II: ................ Anafase II: .............. b) El número de centrómeros de origen materno y de origen paterno será respectivamente: - en las células en Metafase I: ............. y ............. - en una célula en Metafase II: ............ y .............

Figura 6

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UNIDAD I - TEMA 3 1ª Parte El modelo mendeliano para una sola característica Primera ley de Mendel Objetivos.1. Desarrollar adecuada destreza en la mecánica de cruzamientos, predicción de resultados, análisis genético, cruzamientos de prueba, deducción de genotipos en función de resultados de cruzamientos realizados. 2. Conocer y usar adecuadamente las herramientas del análisis genético: proporciones, probabilida- des, frecuencias, pruebas estadísticas. 3. Reconocer correctamente la aplicación de la 1ª ley de Mendel en cada cruzamiento planteado. 4. Conocer algunas de las variantes del Modelo mendeliano básico. Principales conceptos.1. Conceptos de gen, alelos, locus, genotipo, homocigotas, heterocigotas 2. Los alelos de un gen segregan en el proceso de formación de los gametos. 1ª ley de Mendel, com prensión y aplicación). 3. Conceptos de Cruzamientos de prueba y Retrocruzas, aplicación y consecuencias. 4. Conceptos de dominancia, codominancia y dominancia incompleta. 5. Alelos múltiples 6. Herencia Ligada al Sexo 1.- En el tomate, el gen que determina color del tallo tiene dos alelos: el dominante P, determina coloración púrpura, mientras que su alelo recesivo p determina coloración verde. a) Escriba los genotipos posibles de una planta de tallo púrpura y de otra de tallo verde. b) Para tres individuos distintos dibuje un par de cromosomas en anafase I y señale en ellos los genes correspondientes a los tres genotipos que representó en a) c) Para esos tres genotipos señale si son homocigotas o heterocigotas e indique qué tipo de gametos y en qué proporción puede producir cada uno de ellos. d) Plantee los resultados esperados posibles al cruzar una planta de tallo púrpura con otro de tallo púrpura (muestre las distintas posibilidades, plantee los dameros y las proporciones genotípicas y fenotípicas de la descendencias esperadas). e) Si se planteara cruzar una planta de tallo púrpura con una de tallo verde, qué posibilidades de cruzamientos y descendencias habría, muestre sus planteos completos. ¿Y si fuera un cruzamiento entre dos plantas fenotípicamente verdes?. f) Un investigador autofecundó una planta de tallo púrpura por un lado, y autofecundó una de tallo verde. ¿Qué resultados obtiene en la primera generación en cada caso posible?. g) Indique cuáles son los resultados posibles al realizarle un cruzamiento de prueba a una planta de tallo púrpura. Muestre todos sus planteos. Señale la utilidad del procedimiento. h) Si Ud. cruza una planta homocigota de tallo púrpura con una homocigota de tallo verde y a la F1 resultante le realiza las dos retrocruzas posibles. ¿cuáles son los resultados fenotípicos esperados en cada caso? i) Y ¿si se autofecunda la F1?

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2.- En una gramínea autógama se conocen líneas puras con arista en la espiguilla y líneas puras sin arista. Con el fin de investigar cómo se hereda este carácter, se cruzaron dos líneas puras contrastantes obteniéndose una F1. Todas las plantas de esta generación poseían arista. a) ¿Qué conclusión se obtiene de este resultado? b) A continuación se realizaron cruzamientos entre plantas de la F1 y plantas de la línea pura sin aristas. El resultado acumulado para todas las progenies obtenidas fue de 73 plantas con arista y 77 sin arista. ¿Cómo se denomina al cruzamiento realizado? c) ¿Qué conclusiones saca de estos resultados?, ¿es segura esta conclusión obtenida?, ¿por qué los resultados obtenidos en este cruzamiento no concuerdan exactamente con lo esperado? d) ¿Conoce alguna prueba estadística que le ayude a decidir acerca si las conclusiones que obtuvo en c) pueden considerarse como aceptables? Para responder a esta pregunta busque y estudie en la bibliografía de Genética la forma de utilizar la distribución JI CUADRADO o CHI CUADRADO que estudió en el curso de MMCCII. Se adjunta una Tabla de dicha distribución. 3. En el Dondiego de Noche (Mirabilis jalapa) hay 3 colores de flor. Si se cruza una línea pura de flor roja con una de flor blanca, toda la F1 tiene flor rosada. Si se autofecundan las plantas de la F1, dan en la F2 plantas con flores rojas, plantas con flores rosadas y plantas con flores blancas. En un experimento las cantidades contabilizadas de plantas de la F2 fueron 123 de flores rojas, 251 de flores rosadas y 126 de flores blancas. a) ¿Cómo explica este resultado según el tipo de herencia de este carácter?. Con los símbolos que Ud. elija, anote todos los cruzamientos realizados, detallando: genotipos, gametos, proporciones, tableros de cruzamientos. b) Confirme o rechace estadísticamente sus conclusiones. Muestre el procedimiento. Tabla de Chi Cuadrado

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EJERCICIOS COMPLEMENTARIOS OTRAS HERRAMIENTAS PARA EL ANÁLISIS GENÉTICO Genealogías. Probabilidad. Distribución binomial 1.- En muchas especies animales de baja prolificidad e intervalo generacional grande, un recurso para realizar análisis genéticos, sin realizar cruzamientos dirigidos, es estudiar las genealogías (o árboles genealógicos o pedigrí) que comprendan individuos con la característica en estudio. Esto es particular- mente válido en la especie humana donde los cruzamientos no pueden ser dirigidos. La siguiente es parte de la genealogía de una familia humana, en que los individuos en negro, están afectados de polidactilia, (existencia de más de 5 dedos en una o varias extremidades): 1°G 2°G 3°G

Considere en su análisis que esta malformación es muy poco frecuente en la especie humana: a) Determine si el carácter polidactilia es dominante o recesivo b) Elija un símbolo para cada uno de los alelos del gen involucrado y coloque los genotipos de todos los individuos de la genealogía. c) Calcule cuál es la probabilidad de que el matrimonio de la 3ª generación que ya tiene una hija con polidactilia, tenga su siguiente hijo o hija con polidactilia d) Calcule cuál es la probabilidad de que, para el matrimonio de la 3ª generación que aún no tuvo hijos, los dos primeros que tenga sean normales. e) Y, si tienen 4 hijos, ¿cuál es la probabilidad de que los 4 tengan polidactilia? f) ¿Cuál es la probabilidad de que dos sean normales y dos tengan polidactilia?. Consulte en la bibliografía de Genética o en la de MMCCII, la aplicación de la fórmula de probabilidad binomial para responder más fácilmente a esta última pregunta. 2.- En la especie humana el carácter albino es causado por el alelo recesivo de un gen. El alelo dominante produce pigmentación normal de la piel. a) ¿Cuáles son los distintos resultados que se pueden esperar si en un matrimonio uno de los cónyuges es albino y el otro no? ¿De qué dependen estos resultados? Busque en el material de apoyo qué frecuencia tiene el alelo para albinismo en nuestra especie. b) Si el matrimonio anterior tiene un hijo normal (no albino), ¿cuál es la probabilidad de que el siguiente hijo sea albino?, ¿que los dos siguientes hijos sean normales?, ¿de que de los dos siguientes uno sea albino y otro normal?

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ALELOS MULTIPLES 3) En varias especies vegetales existen genes de autoincompatibilidad, es decir, genes que impiden que un grano de polen desarrolle su tubo polínico y llegue a autofecundar a óvulos de la propia planta. En uno de los sistemas de autoincompatibilidad, el polen que tiene uno de los alelos de este gen, no puede fecundar flores de plantas donde ese mismo alelo este presente en el tejido diploide. Analicemos un ejemplo sencillo con 4 alelos que llamaremos s1, s2, s3 y s4. Los granos de polen con el alelo s1 no pueden fecundar las flores de plantas cuyo genotipo sea s1 s2, s1 s3 ó s1 s4 por ejemplo, pero sí pueden fecundar a plantas de genotipo s2 s3. a) Analice el resultado esperable de un cruzamiento entre una planta, s2, s3 y una planta s1, s2 . Analice también el cruzamiento recíproco. b) Plantee cuáles son los cruzamientos totalmente incompatibles, cuáles son semicompatibles y cuales compatibles totalmente. c) Analice las ventajas que le proporciona a estas especies el hecho de que los alelos de autoincompatibilidad sean numerosos. Analice porqué no hay homocigotas.

HERENCIA LIGADA AL SEXO 4) En Drosophila melanogaster la “mosca de la fruta” el gen que determina ojos rojos (W) es dominante sobre su alelo que determina ojos blancos (w) . El gen que determina esta característica está ubicado en el cromosoma sexual X en la región no homologa al cromosoma Y.Esto determina algunas diferencias con el modelo mendeliano clásico que, sin embargo, no implican que no se cumpla la 1ª ley de Mendel. a) Analice los resultados que se esperan del cruzamiento entre una mosca hembra de una cepa pura de ojos rojos con un macho perteneciente a una cepa pura de ojos blancos. b) Analice los resultados que se esperan del cruzamiento recíproco al anterior. c) Explique en que aspectos de las respuestas anteriores está contemplado el cumplimiento de la 1ª ley de Mendel.

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UNIDAD I - TEMA 3 2ª Parte El modelo mendeliano para dos o más características Segunda ley de Mendel Objetivos 1. Profundizar en la mecanica de cruzamientos, genotipos, gametos, tableros de Punnett, proporciones esperadas, para cruzamientos que involucran dos o más genes. 2. Conceptualizar la 2ª ley de Mendel. Principales conceptos 1. Los alelos de diferentes genes segregan independientemente y se recombinan al azar. (2ª ley de Mendel).2. Los genes que cumplen con la 2ª ley son aquellos que están ubicados en diferentes cromosomas (en cromosomas no homólogos). 1.- Se cruzan una planta homocigota dominante para el color y la forma de la semilla de arveja con una planta homocigota recesiva para ambos caracteres: a) Indique cuál es el resultado esperado de ese cruzamiento b) Indique cuál es el resultado esperado de cruzar una planta homocigota dominante para el color de la semilla y homocigota recesiva para la forma, con otra homocigota recesiva para el color y homocigota dominante para la forma. c) Obtener los resultados esperados de la autofecundación de la F1 que resulta de cualquiera de los cruzamientos anteriores. d) ¿Qué espera de realizarle a esa F1 un cruzamiento de prueba?. 2.- ¿Qué tipo de gametos y en que proporción producirán los individuos con los siguientes genotipos?: • 1. AaBbCc • 2. AABBCc • 3. AaBbcc • 4. AabbCCDd ¿Qué resultados genotípicos espera en la descendencia del cruzamiento entre los individuos 1 y 2 de la parte anterior?; y ¿entre el 2 y el 3?

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3.- En Drosophila se cruza una cepa pura de moscas de alas largas y cuerpo oscuro con otra de alas cortas y cuerpo claro. Todas las moscas de la F1 tienen alas largas y cuerpo claro sin que haya diferencia entre ambos sexos. Cuando se cruzaron entre sí moscas de la F1 se obtuvieron: 44 16 14 6

individuos de cuerpo claro y alas largas individuos de cuerpo oscuro y alas largas individuos de cuerpo claro y alas cortas individuos de cuerpo oscuro y alas cortas

Considere como probado que tampoco en este caso hay diferencias entre ambos sexos en los resultados, por lo que podemos descartar herencia ligada al sexo: a) Elabore una hipótesis que explique estos resultados asignando a cada característica los símbolos que necesite, y a todos los individuos involucrados su genotipo, si es posible. b) Analice estos resultados estudiando primero cada característica por separado explicando el modo de herencia de cada una y comprobando estadísticamente los resultados. ¿Cumplen cada uno de estos caracteres con la 1ª ley de Mendel.? c) Analice estos resultados en conjunto determinando si ambos caracteres cumplen con la 2ª ley de Mendel, incluyendo la correspondiente prueba estadística. d) Considerando las conclusiones a que Ud. llegó en las partes a) y c), y que Drosophila tiene 4 pares de cromosomas de los cuáles uno es el par sexual: dibuje todos los cromosomas de un macho de la F1 y coloque los genes que determinan estas características en dichos cromosomas (de modo que no contradigan sus conclusiones).

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UNIDAD I - TEMA 3 3ª Parte Uso de herramientas estadísticas para ejemplos con y sin cumplimiento de la 2ª ley de Mendel Objetivos 1.Profundizar en el conocimiento de las situaciones en que se cumple o no se cumple la 2ª ley de Mendel. 2.Aprender el uso de herramientas estadísticas para analizar resultados experimentales. Principales conceptos 1.Los alelos de diferentes genes segregan independientemente y se recombinan al azar. (2ª ley de Mendel).2. Los genes que cumplen con la 2ª ley son aquellos que están ubicados en diferentes cromosomas (en cromosomas no homólogos). 1.- En la arveja el color púrpura de la flor (P) es dominante sobre el color blanco (p) y la semilla amarilla (R) es dominante sobre la semilla verde (r). A la descendencia del cruzamiento entre una línea pura dominante para ambos caracteres y una línea pura recesiva para ambos (F1) se le hizo un cruzamiento de prueba, y los resultados fueron: FENOTIPOS

Observadas

Púrpura, Amarillas Púrpura, verdes blancas, Amarillas blancas, verdes

34 32 35 31

Esperadas

plantas “ “ “

a) ¿Los resultados observados concuerdan con los esperados? Compruebe estadísticamente si se cumple para cada gen la 1ª ley de Mendel, y luego si se cumple la 2ª ley de Mendel. b) La arveja es 2n=14. Represente con líneas todos los cromosomas de la especie y coloque los genes que poseían cualquiera de los individuos de la F1 c) Dibuje, esquemáticamente, una planta de cada una de las líneas, que se cruzaron y una planta de la F1, diferenciando con colores cada uno de los caracteres involucrados. Tenga en cuenta especialmente, en que momento del ciclo vital de la especie, se expresa cada carácter. 2.- En la misma especie la forma alargada de los granos de polen (L) es dominante sobre la forma redondeada (l). Como en el ejercicio anterior se cruzaron dos líneas puras contrastantes (una dominante y otra recesiva para ambos caracteres) y a la F resultante se le hizo un cruzamiento de prueba. Los resultados fueron:

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FENOTIPOS Púrpura, Alargados Púrpura, redondeados blancas, Alargados blancas, redondeados

Observados 38 plantas 12 “ 11 “ 39 “

a) Estos resultados ¿concuerdan con lo que Ud. esperaría? Compruebe estadísticamente si se cumple la 1ª ley de Mendel, para cada gen involucrado y luego si se cumple la 2ª ley de Mendel. b) ¿Qué conclusiones extrae de estos resultados?

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UNIDAD I - TEMA 4 1ª Parte Genes ligados - Mapas Genéticos Objetivos 1. Reconocer la modificación al modelo mendeliano provocada por el ligamiento entre los genes. 2. Comprender el mecanismo de recombinación de los genes ligados y sus consecuencias. 3. Comprender la elaboración de mapas genéticos y su utilidad. Principales conceptos 1. Los genes ligados no segregan independientemente. 2. Sin embargo recombinan en un porcentaje dependiente de la distancia. 3. Los conceptos anteriores permiten definir distancias genéticas y elaborar mapas genéticos. 1.- Supongamos que tenemos las siguientes líneas puras para dos genes con dominancia: (1) RRLL

-

(2) rrll

-

(3)RRll

-

(4)rrLL

El alelo dominante R determina color rojo, y el alelo recesivo r, determina flor blanca; el alelo L determina hoja lisa y el alelo recesivo l determina hoja rugosa. A partir de dichas líneas puras se realizaron dos series de cruzamientos: CRUZAMIENTO 1

F 1:

CRUZAMIENTO 2

RRLL

x

rrll

RRll

_____

Fenotipo:

_____

F1: _____

Cruz. Prueba:

F1

x

x

rrLL Fenotipo: _____

rrll

F1

x

rrll

Progenie Genotipos:

RrLl

Rr ll

rrLl

rrll

RrLl

Rrll

rrLl

rrll

400

100

100

400

100

400

400

100

Fenotipos: Observados

a) Analice los resultados de cada cruzamiento prueba y establezca si la 1ª y 2ª Ley de Mendel se cumplen. b) Represente ambos cruzamientos prueba mediante el tablero de Punnett o damero indicando las frecuencias gaméticas correspondientes.

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c) ¿Cuál es el origen de las desviaciones fenotípicas y genotípicas observadas? d) Analice comparativamente los resultados obtenidos en los dos cruzamientos prueba. Calcule en cada caso el % de recombinación entre los genes R y L; ¿llega al mismo resultado?; ¿por qué las proporciones genotípicas son diferentes en cada caso?. e) ¿El grado de ligamiento entre estos genes será estable dentro de una especie? f) Los genes que están ligados entre sí pertenecen a un mismo _____________. g) La identidad y orden de los genes a lo largo de un cromosoma pueden establecerse mediante análisis de la probabilidad de ________________ entre ellos. Para calcular dicho valor en general se diseñan ________________. La representación gráfica de esta información son los ___________. Son mapas probabilísticos cuyas unidades se expresan en _____ equivalentes a ___________. El mapa genético es __________para cada especie. Pero pueden haber variantes debido a____________. Realice un esquema del mapa genético para el ejemplo discutido. Realice un esquema del genotipo de las F1 para cada cruzamiento. 2.- En un dihíbrido AaBb a) Esquematice sobre cromosomas las siguientes situaciones: si segregan independientemente si están ligados en cis, si están ligados en trans (a 10 cM) si presentan ligamiento total b) en cada uno de los cuatro casos indique qué progenie espera observar y sus probabilidades. 3.- En relación al tomate (Lycopersicum esculentum, 2n=24): a) En la siguiente tabla se describe la progenie de un cruzamiento prueba en tomate en donde hojas moteadas y plantas enanas son caracteres recesivos. Fenotipo Altura Normal - Hojas normales Altura Normal - Hojas moteadas Plantas Enanas - Hojas normales Plantas Enanas - Hojas moteadas TOTAL

Observado

Frecuencias

54 455 425 66 1000

1

Analice estadísticamente los datos (describa la hipótesis nula) y localice los genes en un mapa genético (Figura 7). Los resultados indican que los genes para altura y tipo de hoja ____________con una probabilidad de ____________. b) Estime ahora la probabilidad de ocurrencia del genotipo doble recesivo en una F . ¿Cuál sería el mínimo tamaño de la F2 para poder detectarlo? c) ¿Puede identificar en los datos y sus respuestas a este problema las siguientes etapas del método científico?: marco conceptual (información previa disponible); formulación de la hipótesis; diseño experimental; obtención de resultados; análisis de resultados; discusión e interpretación de los resultados.

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Figura 7

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EJERCICIOS COMPLEMENTARIOS 1) Utilizando el mapa genético del tomate de la Figura 7, calcule el tamaño mínimo de una F2 para poder detectar al menos una planta de tomate homocigoto que porte flores amarillas (cromosoma 2), fruto amarillo (cromosoma 2) y forma de fruto fasciculada (cromosoma 5). Considere para su respuesta que se disponen de plantas trihíbridas y los genes ligados están en disposición trans. a) Realice el problema primero sólo considerando los 2 caracteres ligados. b) Ahora, estime cuál sería su respuesta si los tres genes hubieran estado localizados en diferentes cromosomas. Y si los tres genes hubieran estado completamente ligados (ABC/abc). c) Forma de fruto tiene un importante número de variantes, y es un fenotipo que se expresa tarde en la estación de cultivo. Actualmente el mapa genético del tomate cuenta con mas de 500 genes y de otras secuencias de ADN mapeadas. Algunas de estas nuevas secuencias se ubican a menos de 2 cM de distancia de importantes genes de forma de fruto. Discuta que ventaja presenta la identificación de tales secuencias en la sección de los genotipos “objetivo”. 2) Describa los tipos de gametos y sus correspondientes frecuencias que formaría un trihíbrido con el siguiente mapa genético (considere los distintos casos): G (0.15)

H

F (0.35) 3) Un individuo heterocigoto para tres genes AaBbCc es retrocruzado con otro aabbcc, y una progenie de 1000 descendientes es clasificada por la contribución gamética del padre heterocigoto de la siguiente manera: GAMETOS

Nº

ABC ABc AbC Abc aBC aBc abC abc

216 229 28 27 23 22 216 239

Total

1000

Frec.

1

a) A partir de estos datos dibuje el mapa genético de esta especie (2n=4). Considerando dos genes por vez, arme un cuadro mostrando los resultados de la retrocruza. b) Describa el genotipo de las líneas homocigotas parentales que generaron el trihíbrido. Realice un esquema del genotipo. c) ¿Cuál es la probabilidad de encontrar individuos AABBcc en la F2?.

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Unidad I - Tema 4 2ª parte Genes ligados - Mapas Genéticos y Marcadores Moleculares Objetivos 1. Reconocimiento de la herramienta: marcadores moleculares y su importancia desde el punto de vista de la elaboración de los mapas genéticos y sus usos. 2. Complementar el manejo de los conceptos de ligamiento y mapeo genético, con el agregado de los marcadores moleculares. Principales conceptos Los marcadores moleculares pueden manejarse como genes con dos o más alelos en el mapeo genético y el estudio de la recombinación. Los marcadores moleculares potencian la herramienta mapas genéticos agregando información sobre cualquier parte del ADN, sean o no regiones codificantes del mismo. 1.- Una solución contiene fragmentos de ADN de doble cadena de 3 kb, 6 kb, 9 kb, y 12 kb de tamaño. Estos fragmentos se separan mediante electroforesis en gel de agarosa. En el siguiente diagrama de gel, ubique los tamaños de fragmentos con las bandas correspondientes:

(+) ánodo 2.- El fragmento de ADN linear que se muestra a continuación presenta sitios de corte para las enzimas BamHI (B) y EcoRI (E). Esto se denomina un mapa de _________. Es un mapa _________ expresado en _____. No es un mapa genético (probabilístico). i) En el diagrama que lo acompaña de un gel de electroforesis, indique las posiciones que deberían tener los fragmentos de restricción obtenidos luego de una digestión con: (a) BamHI sola (b) EcoRI sola (c) BamHI y EcoRI al mismo tiempo. Las líneas punteadas de la derecha del gel indican las posiciones en que las bandas de 1–12 kb deberían migrar.

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ii) ¿Puede anticipar qué consecuencias tendría la presencia de mutaciones tales como inserciones, delecciones, inversiones y cambios de bases (puntuales) en el sitio de corte y entre sitios de cortes en el patrón de fragmentos de restricción? Realice un diagrama. iii) Cuando el perfil de fragmentos de restricción de ADN de diferentes individuos presenta _______________(bandas con distinta movilidad relativa) hablamos de ___________(P_____________en el L____________de F____________ de R______________). 3.- En una secuencia consistente de iguales proporciones de los cuatro nucleótidos (A, T, G, C) i) ¿qué probabilidad tiene una secuencia particular de coincidir con un sitio de restricción para?: (a) Una enzima de restricción con sitio de corte de 4 bases (b) Una enzima de restricción con sitio de corte de 6 bases (c) Una enzima de restricción con sitio de corte de 8 bases ii) con qué frecuencia cortará una enzima que reconoce sitios de 6 bases en un genoma complejo como el trigo de tamaño 1.7 x 1010 pb? ¿será fácil individualizar los fragmentos de restricción obtenidos en genomas complejos? 4.- La técnica de hibridación de creada por Southern implica la transferencia de los fragmentos de restricción migrados en un gel a una membrana y su posterior hibridación con sondas específicas. Las SONDAS (“probe” en inglés) son fragmentos de ADN marcados que formarán moléculas híbridas con los fragmentos de restricción en la medida que exista complementariedad de bases entre sus secuencias. En el diagrama se muestra el sitio de reconocimiento de dos sondas (azul y rojo) en un fragmento de ADN y los sitios de restricción. Indique qué perfil de fragmentos de restricción esperaría si se parte de una mezcla de los dos fragmentos de ADN de la figura luego de hibridar con : i) la sonda A; ii) la sonda B?

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5.- En el siguiente diagrama, se muestran los fragmentos de ADN correspondientes al locus A de un par de cromosomas homólogos de un bovino. De acuerdo al mapa de restricción y a la sonda utilizada:

i) ¿se trata de un individuo homocigoto o heterocigoto? ii) ¿qué patrones de bandas esperaría encontrar para este individuo? iii) De acuerdo a los datos del problema, escriba los patrones de bandas asociados a los tres genotipos posibles completando el siguiente diagrama: Genotipo (A1, A2) Fenotipo (kb/kb) Diagrama de combinación alélica en un par de cr. Homólogos Patrón de RFLPs para los tres genotipos iv) ¿qué tipo de herencia tiene el marcador RFLP? ¿por qué se llamará marcador molecular? Discuta semejanzas y diferencias entre este marcador molecular y otros marcadores morfológicos que Ud. conozca.

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6.- En el diagrama de la figura 8 se describen las variantes color de flor y perfil de RFLPs del cruzamiento y progenies F1 y F2 correspondientes. Suponga una especie autógama, diploide. i) Analice primero el carácter color de flor, y luego el perfil RFLP, e indique el tipo de herencia de cada uno. ii) Considerando que los individuos F2 descritos representan a todos los tipos posibles encontrados en una población F2 numerosa ¿qué concluye acerca del grado de asociación entre estos dos caracteres? iii) Represente sus resultados en un mapa de ligamiento y ubique las combinaciones alélicas de un dihíbrido en un diagrama de una par de cromosomas homólogos. iv) Discuta el impacto del mapeo de miles de marcadores moleculares en mapas genéticos. Datos FENOTIPICOS de la progenie F2 para dos caracteres Color de Flor

RFLP

Planta tipo 1 Planta tipo 2 Planta tipo 3 Planta tipo 4

HERENCIA DE MARCADORES Padre 1 Línea Pura, flor Roja

Padre 2 Línea Pura, flor Blanca

R/R

r/r

Padres

8 kb 6 kb 6 kb/6kb

8kb/8kb 8 kb 6 kb

R/r Autofecundación R/R

8 kb/6kb R/r

6 kb/6kb

F1

R/r

8 kb/6kb

8 kb/6kb

r/r

8 kb/8kb

F2 6 kb

8 kb 6 kb Figura 8

8 kb 6 kb

8 kb

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Unidad I - Tema 5 Interacción génica. Epistasis. Herencia multifactorial Objetivos 1. Reconocer los conceptos de Interacción entre genes no alélicos y de epistasis. 2. Manejar ejemplos y modificaciones de las proporciones debidas a dichos fenómenos. 3. Conocer ejemplos de interacción aditiva y las herramientas para su análisis, como conceptos previos al análisis de los Caracteres cuantitativos. Principales conceptos 1. Interacción génica significa, acción conjunta entre dos o más genes para la determinación de un carácter fenotípico. 2. Epistasis o epístasis significa que alguno de los alelos de un gen impide la expresión de otro gen no alélico. 3. Aditividad significa que los distintos genes que determinan una característica suman sus efectos en la determinación del fenotipo. 4. Además de ese efecto aditivo pueden ocurrir efectos de dominancia entre los alelos de cada uno de los genes y también diversas interacciones epistáticas entre los genes no alélicos que determinan la característica. 1. Un clásico ejemplo de interacción entre genes no alélicos es el del color del pelaje en ratones. Un gene dominante (A) permite la expresión del color y su alelo recesivo (a) bloquea la síntesis del pigmento melanina (albinos). Por otra parte un gene dominante (N), determina el llamado pelaje agutí que es negro con bandas amarillas y su alelo recesivo (n) determina el pelaje negro. El gene a es epistático sobre el paralélico N-n. a) Realice un esquema de una posible ruta metabólica que explique los posibles resultados fenotípicos finales en el pelaje de los ratones. Explique por qué decimos que hay epistasis y qué significa el término comparándolo con casos de interacción no epistática (ejemplo tipo de cresta en gallos). b) ¿Cuáles son los resultados esperados del cruzamiento entre individuos dihíbridos para los genes citados? Indicar genotipos, fenotipos y proporciones esperadas. c) Si un ratón dihíbrido se cruza con una hembra homocigota recesiva, ¿cuáles serían los resultados esperados? d) Los genes que codifican para color de pelaje en ratones: ¿cumplen con ambas leyes de Mendel? Explique en qué momentos del análisis lo aplicó? 2. Herencia multifactorial o poligénica, ejemplo de modelo aditivo: Contamos con dos líneas endocriadas de maíz, Zea mays, que difieren en 3 genes para el tamaño de mazorca: a1 a1 b1 b1 c1 c1 y a2 a2 b2 b2 c2 c2 .

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El tipo de efecto de estos genes es aditivo sin dominancia (aditivo estricto), y el efecto promedio de la sustitución alélica ha sido estimado en 3 cm para cada gen. El tamaño promedio de mazorca de las líneas citadas es de 24 cm y 6 cm, respectivamente. Se cruzaron estas dos líneas obteniéndose una población F1 y por cruzamiento entre plantas de esa F1 se obtuvo una población F2. a) Indique cuál se espera que sea el genotipo de las plantas F1 y su fenotipo promedio para esta característica. b) Indique cuál se espera que sea el tamaño promedio de mazorca de la F2 y, sin considerar los efectos ambientales, cuántos fenotipos diferentes se espera en esa F2, cuáles serán esos fenotipos y en qué frecuencia o proporción espera obtener cada uno de ellos. Realice el histograma correspondiente. Para contestar con mayor facilidad esta pregunta utilice el triángulo de Pascal adjunto. c) Si hubiera realizado la retrocruza entre la F1 y el progenitor de 6 cm de tamaño promedio, cuál habría sido la distribución de los valores fenotípicos esperada en la descendencia. Realice el histograma. Conteste la misma pregunta para la otra retrocruza posible. Compare ambos resultados. d) Los genes que codifican para tamaño de mazorca: ¿cumplen con la segunda ley de Mendel? Explique en qué momentos del análisis lo aplicó? Realice un esquema (con el mínimo de cromosomas posibles) que muestre cómo estarían representados los genes de un híbrido de la F1. 3. Suponga, para la misma característica del ejercicio nº 2 anterior, que las dos líneas endocriadas originales cuyos genotipos no conociéramos, tuvieran tamaños de mazorca de 18 y 12 cm, respectivamente y que al cruzarlas, la F1 resultó en un tamaño promedio de 15 cm. La F2 tuvo también una media de 15 cm pero había desde plantas con 6 cm hasta plantas con 24 cm. Esto se denomina segregación transgresiva y puede ser un procedimiento útil en el mejoramiento para lograr ampliar la variabilidad a partir de materiales preexistentes y obtener líneas más extremas. Utilizando los mismos símbolos y datos del ejercicio anterior desarrolle una explicación para los resultados de este cruzamiento.

EJERCICIOS COMPLEMENTARIOS 1. Ejercicios 17 y 18 pág.115 del Cap. 4 del libro de Griffith y otros (hay repartido AEA). 2. En trigos duros (autógamas) existen líneas puras de grano rojizo y líneas puras de grano blanco. El cruzamiento entre líneas puras de ambos tipos genera una F1 constituida por plantas con granos rojizos en el 100% de los casos. La autofecundación de dichas plantas F1, genera una F2 en la que aparecen granos rojizos y blancos en proporción 15:1. Interprete genéticamente estos resultados y proponga una ruta metabólica que conduzca desde una precursor hipotético hasta el pigmento final que se acumula en el pericarpio del grano. En esta ruta deberá indicar el lugar y la forma en que inciden el o los genes que Ud. señale como responsables de este carácter.

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3. En el ejercicio 2 complementario, se analizó una proporción 15:1 en la F2 entre granos de trigo rojizos y blancos. Ya en 1909 Nilsson-Ehle realizó numerosos cruzamientos en esta especie, considerando el mismo carácter: a) Cruzando otras líneas puras de trigo rojizo con líneas puras de trigo blanco obtuvo proporciones de 3:1 en la F2 y cruzando otras líneas puras de trigo rojo con las de trigo blanco obtuvo proporciones de 63:1en la F2. Discuta como explica estos resultados diferentes, en los diferentes casos. b) Nilsson-Ehle observó también que entre los granos rojizos había diferencias en la intensidad de dicho color. Analizando con más precisión los resultados que había obtenido en los distintos cruzamientos citados, llegó a la conclusión de que en realidad había un efecto acumulativo o aditivo de los genes responsables de la síntesis de antocianinas. Es así que reanalizando la proporción 15:1 detectó 5 clases fenotípicas y sus proporciones: Rojo muy fuerte - Rojo fuerte 1

4

- Rojo medio

- Rojo claro - Blancos

6

4

1

Explique estos resultados analizando el damero de Punnett de una F2. c) ¿En qué proporciones se puede transformar la proporción 63:1 si se considera este forma de acción acumulativa de todos los genes y alelos involucrados? d) Maneje el triángulo de Pascal y realice histogramas para las distintas proporciones en b) y en c). UTILIZACIÓN DEL TRIÁNGULO DE PASCAL PARA EL CÁLCULO DE LAS PROPORCIONES ESPERADAS EN F2 Ó RETROCRUZAS Para características determinadas por varios genes con dos alelos con efecto acumulativo o aditivo entre genes, sin dominancia entre ambos alelos de cada gen. Por ejemplo, dos genes con dos alelos con efecto acumulativo, en los que denominamos como A y como B a los genes que "aportan" a una característica y como a y b a los que "no aportan". Aquí las letras mayúsculas no significan dominancia. Una F2 resultante de autofecundar una dihíbrido resulta genotípicamente en los 9 genotipos habituales, que aquí ordenamos de acuerdo al número de "dosis" de genes que aportan (letras mayúsculas) de la siguiente manera: 1 aabb

dosis de genes que aportan (letras mayúsculas) Proporciones fenotípicas totales

2 Aabb 2 aaBb

1 Aabb 1 aaBB 4 AaBb

2 AABb 2 AaBB

1 AABB

0

1

2

3

4

1

4

6

4

1

36

Los que tienen el mismo número de “dosis” o sustituciones tienen el mismo fenotipo en la característica de que se trate en cada caso. Estas mismas proporciones de la F2 se pueden obtener del triángulo de Pascal, utilizando los renglones pares según se indica: Nº de pares de genes ↓ 1 1 1 1 1 1

2 3

4 5

6

1

3 6

10 15

1 1 4 10

20

1

1 5

15

2 1

6

1

3

Las flechas en el triángulo indican cómo se obtiene cada coeficiente del triángulo de Pascal (se suman los números de arriba para obtener los del siguiente renglón). Con esto puede continuar indefinidamente el triángulo, para utilizarlo con cualquier número de genes. Observe que en el segundo renglón se obtiene al clásica proporción fenotípica 1: 2:1 de una F2 para un sólo par de genes. Observe que el cuarto renglón aparece la proporción 1:4:6:4:1 que más arriba hemos obtenido por el procedimiento de agrupar los genotipos según la cantidad de alelos mayúscula en el genotipo. Con un ordenamiento similar de los genotipos se pueden obtener los genotipos que corresponden a cada una de las proporciones para 3 pares de genes (6º renglón). Si además conoce el efecto fenotípico de cada alelo puede saber los fenotipos de cada grupo.

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Unidad I - Tema 6 Genética Cuantitativa Objetivos 1. Conocer las propiedades de los caracteres cuantitativos propiamente dichos. 2. Conocer los componentes de la variabilidad fenotípica y de la variabilidad de origen genético. 3. Manejar las herramientas de estimación y análisis de dichas variabilidades

Principales conceptos 1. Los caracteres cuantitativos propiamente dichos tienen variabilidad continua. 2. Dicha variabilidad, en primera instancia, tiene dos orígenes, el genético y el ambiental. 3. A su vez, la variabilidad genética puede descomponerse en variabilidad de origen aditivo, variabilidad debida a dominancia y variabilidad debida a interacciónes epistáticas. Pueden estimarse los distintos componentes. 4. A pesar de la interferencia de la variabilidad de origen ambiental, diferentes diseños estadísticos permiten realizar estimaciones del número de genes participantes, de los efectos (aditivos) de cada gen y de la distribución de fenotipos debida a la composición genética. 1. En el duraznero (preferentemente autógama) se registran características de tipo cuantitativo como por ejemplo la fecha de maduración. Existen cultivares con muy variadas fechas de maduración. Tomaremos como 0 (cero) la fecha de maduración del cultivar "Marcus" el más temprano que se cita en la bibliografía. El cultivar "Krummel", el más tardío que se cita, madura 90 días después. Supongamos que, para esta característica, estos dos cultivares son homocigotas. Un cruzamiento entre estos dos cultivares generó una F1 con una fecha de maduración 45 días posterior al cultivar "Marcus". A su vez, por autofecundación de esta F1 se obtuvo una F2 en la que la media de la fecha de maduración es también de 45 días pero con mucha variabilidad. Se ha estimado que aproximadamente 1 de cada 64 plantas de la F2 maduró en fecha similar a la del cultivar "Marcus" y otro tanto maduraron en fecha similar a la de "Krummel". Población

Media

Varianza

Cultivar "Marcus"

0

4

Cultivar"Krummel"

90

4

F 1 F 2

45

4

45

25

Un ensayo estadísticamente válido en el que se evaluó la fecha de maduración de estas cuatro poblaciones proporcionó los resultados citados y algunos más que se agregan en el siguiente cuadro:

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De acuerdo con los datos aportados conteste las siguientes preguntas explicando sus respuestas: a) ¿Qué tipo de herencia considera Ud. que actúa en esta característica? y ¿por qué? Considere el tipo de efecto génico en su respuesta. b) ¿Cuántos genes estima Ud. que determinan las diferencias entre los cultivares cruzados, en cuanto a la fecha de maduración? c) ¿En cuánto estima el efecto promedio de la sustitución alélica? d) ¿Cuántas clases fenotípicas debería haber en la F 2 si no consideramos efectos ambientales? REALICE UN HISTOGRAMA. e) Considerando ahora la variabilidad fenotípica total de éstas poblaciones. Discuta: ■ el origen de la variabilidad en las distintas poblaciones involucradas ■ la posibilidad de particionar la variabilidad fenotípica en ambiental y genotípica, en estas poblaciones. f) Defina heredabilidad, discuta la utilidad de estimar este parámetro g) ¿cómo calcularía en este ensayo la heredabilidad en sentido amplio que tiene este carácter para la F ? y ¿en cuánto estima su valor?. 2 h) ¿por qué se habla de heredabilidad en una población específica (y en una condición ambiental específica) y no de heredabilidad en general para la característica en estudio?

2. Suponga que para una característica poligénica y con importante efecto ambiental se cruzan dos líneas puras diferentes, se obtiene una F1 intermedia y por autofecundación de plantas de esta F1 se obtiene una F2. Se realiza un ensayo estadísticamente válido en el que se comparan las 4 poblaciones. La varianza de las dos líneas y de la F1 resultó de magnitud similar y la de la F2 resultó ser tres veces mayor. a) Estime cuál sería el valor de la heredabilidad de este carácter en la población F2 b) Indique cuál es el significado de ese valor desde el punto de vista de las posibilidades de obtener avances por selección c) ¿Podría obtener avances si intento seleccionar en la población F1? Explique su respuesta.

EJERCICIO COMPLEMENTARIO 1. Se cruzan dos variedades de arroz (líneas puras L1 y L2) obteniéndose la F1 y luego la F2 (F1 x F1). Las variedades difieren en el largo del ciclo (cantidad de días desde la siembra hasta que el 50% de las plantas han florecido). Los datos de las poblaciones L1, L2, F1 y F2, obtenidos a partir de una siembra simultánea el 15/10 del mismo año y lugar, se presentan en el siguiente cuadro:

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Población

Largo del ciclo promedio)

Varianza

L1

70

14,5

L2

94

15,9

F1

82

13,2

F2

82

100,4

a) Estime cuántos genes explicarían la diferencia entre el largo del ciclo entre estas variedades si 50 de los 3200 individuos de la F2 florecieron hasta el 24/12. b) Discuta la importancia que puede tener el conocer el número de loci involucrados en una característica. c) Estime el efecto promedio de la sustitución alélica, explicando el procedimiento utilizado. d) Estime qué parte de la variabilidad fenotípica de la F2 es de origen genético y qué parte de origen ambiental. Explique. e) Calcule la heredabilidad en sentido amplio de esa característica en la F2. f) Explique qué importancia tiene conocer dicho valor.

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Unidad II - Tema 7 Estructura del gen eucariota. Regulación de la expresión génica Objetivos 1. Reconocer la estructura y función de los diferentes tipos de secuencias que conforman un gen. 2. Visualizar y comprender el origen de las variantes alélicas de un gen. 3. Comprender los procesos de regulación de la expresión génica Principales conceptos 1. La secuencia completa (genómica) de un gen contiene multiplicidad de señales que se utilizarán en los procesos de transcripción, edición del ARNm, traducción y procesamiento de proteínas. 2. El impacto de las mutaciones en un gen (variación fenotípica) se verá afectado por la localización particular de dicha mutación en la estructura del gen. 3. La regulación de la expresión génica se desarrolla con participación de factores en CIS (región reguladora) y en TRANS (factores de transcripción, otros). 1. Se presenta a continuación la figura 9 que representa la secuencia completa del gen de beta-caseína bovina incluyendo sus regiones flanqueantes 5’ y 3’. i) identifique la región reguladora y la región estructural del gen, señalando el tamaño de esta última en kilobases. ii) ¿cuántos intrones y exones observa? Comente los detalles que observa en cada uno de ellos. iii) identifique secuencias consenso en la región reguladora. iv) señale el ORF (marco de lectura abierto), calcule el tamaño de la proteína precursora (inmediatamente luego de la síntesis) y de la proteína madura (una vez secretada en la glándula mamaria) teniendo en cuenta que el péptido señal es de 14 AA en el extremo aminoterminal. v) ¿cuál de las hebras de ADN del gen está representada y por qué? 2. ¿En qué tipo de biblioteca estará la secuencia completa del gen: genómica o de ADN copia (ADNc)? Justifique su respuesta. 3. Se presenta a continuación la FIGURA 9b. i) Analice comparativamente las semejanzas y diferencias entre las 5 regiones de genes de caseína presentados (TATA box, regiones ricas en AG, otras). Indique dónde comenzaría la Región Estructural de cada gen. ii) ¿Qué importancia puede tener que una región génica se conserve evolutivamente? iii) Dé ejemplos de tipos de mutaciones que pueden explicar los cambios que observó, por ejemplo en las distintas regiones TATA box.

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4. Discuta e interprete las siguientes afirmaciones. Realice diagramas cuando sea pertinente. i) Los genes que codifican las beta caseínas así como otras caseínas (alfa-s1 y alfa-s2) están regulados coordinadamente en forma tejido y desarrollo específica. (Ver figura 9a). ii) La activación transcripcional de estos genes se produciría en respuesta a hormonas peptídicas y esteroides. Realice un diagrama y explique la serie de eventos que conducen a que la transcripción de estos genes. ¿Por qué se expresa sólo en hembras en lactación? iii) El locus CSN2 (símbolo del gen de la beta caseína bovina) mapea en el cromosoma 6 (región 6q31). ¿Qué implicancias tiene para el mejoramiento genético que un caracter que se expresa en hembras tenga herencia autosómica?

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Figura 9.-

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48

Figura 9 a.-

Comparación de las secuencias 5‘que son parte de 5 genes de caseína distintos que corresponden a bovinos o rata: alfa bovina (BOV alfa-s1), alfa de rata (RAT alfa), beta bovina (BOV beta), beta de rata (RAT beta), y gama de rata (RAT gama).

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Unidad II - Tema 8 Organización del genoma eucariota Objetivos. 1. Identificar los diferentes tipos de secuencias en el genoma y su importancia relativa. Principales conceptos 1. Existe una alta variación en el tamaño del genoma entre las especies vegetales. 2. El genoma eucariótico se compone de un espacio génico y un espacio no génico. 3. Diferentes mecanismos explican un gran dinamismo en los cambios de la estructura y función del genoma. En principio este tema se desarrolla solamente en el curso teórico.

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Unidad II - Tema 9 1ª parte Análisis y manipulación del genoma. Genómica estructural y funcional. Objetivos 1. Describir los abordajes de análisis estructural y funcional del genoma. Principales conceptos 1. Conceptos de Genética clásica y genética reversa. 2. Descubrimiento de genes (secuencias) y de descubrimiento (postulación) de funciones de genes. 3. El concepto de fenotipo se extiende desde la clásica presencia de atributos del organismo hasta la presencia de ARNm o proteínas en una célula. 1. Compare y explique semejanzas y diferencias entre biblioteca genómica y biblioteca de ADN copia. 2. Jiménez-Flores et al (1987) identificaron un clon de ADNc correspondiente a la beta caseína en una biblioteca de ADNc preparada a partir de tejido (biopsia) de glándula mamaria en lactación. La biblioteca fue explorada con anticuerpos contra caseína. a) describa en forma general cómo se construye una biblioteca de ADNc y qué tipo de información contiene. b) ¿qué entiende por clonación de genes? en este caso a qué nos referimos con el término clon? c) de acuerdo al análisis que Ud realizó del gen completo de la beta caseína bovina, cuál sería el tamaño del ADNc de este gen? 3. Existen varias técnicas que permiten verificar la expresión de los genes ya sea a nivel de ARNm, de proteína y del fenotipo. a) El análisis de Northern blot permite visualizar la presencia del ARNm dentro de una población de ARNm utilizando una secuencia del mismo gen como sonda. ¿Qué parte del gen utilizaría como sonda? ¿podría utilizar secuencias de otras especies?¿cuál sería el tamaño de la banda a visualizar? b) La presencia del ARNm y/o de la proteína también puede registrarse en cortes de tejido de glándula mamaria. ¿Qué tipo de estrategia utilizaría en cada caso? c) Las proteínas secretadas hacia el medio extracelular poseen péptidos señales conservados, ¿a qué puede deberse?.

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d) El desarrollo de técnicas cada vez más rápidas asegura la posibilidad de analizar miles de secuencias de ADN provenientes de un mismo experimento. El análisis de expresión global se basa en la secuenciación de miles de ESTs (expressed sequence tag) que consisten en una rápida secuenciación de una población de ADNc obtenida a partir de una población de ARNm. En la tabla que se adjunta se describe la composición de un banco de ESTs de glándula mamaria bovina, mostrándose las más representadas. ¿A qué factores puede deberse las diferencias que se pueden encontrar si analizamos los ocho estados aquí analizados por separado?. BIBLIOTECA (O CATALOGO) ESTs de GLANDULA MAMARIA BOVINA Bos taurus (ID.5505), realizada a partir de ARNm aislado de tejidos mamarios en 8 estados fisiológicos, de desarrollo y sanitarios. La DISTRIBUCIÓN DE FRECUENCIAS DE LAS SECUENCIAS EST (EN UNIGENES) MÁS ALTAMENTE REPRESENTADAS: 11.56% 5.35% 3.45% 2.87% 1.82%

alfa-S1 caseína beta caseína beta lactoglobulina lactoferrina kappa caseína

Referencia: Sonstegard TS et al. 2002. Análisis de EST de glándula mamaria bovina y anotaciones funcionales de índice génico de Bos taurus. Mamm Genome 13: 373-379.

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Unidad II - Tema 9 2ª parte Ingeniería genética Objetivos 1. Describir el proceso de ingeniería genética. 2. Analizar comparativamente este proceso con otras tecnología de manipulación genética y genómica. Principales conceptos 1. El diseño del transgen deberá ajustarse al objetivo buscado en cuanto a patrón de expresión (espacial, temporal), origen del transgen, entre otros criterios. 2. Un experimento de transformación genera varios eventos de transformación. 3. En general, numerosos eventos deben evaluarse para identificar el genotipo y fenotipo trasgénico buscado. Desarrollo de la soja Roundup Ready I. Resumen de información: La línea o evento de soja GTS 40-3-2 (Soja RR) fue desarrollada por Monsanto Canada Inc. para permitir el uso del glifosato como un sistema alternativo para control de malezas en la producción de soja (Glicine max). El desarrollo de la línea GTS 40-3-2 se basó en la tecnología del ADN recombinante, a través de la introducción del gen cp4 epsps aislado de la cepa CP4 de Agrobacterium tumefaciens en la variedad comercial de soja "A5403" (Asgrow Seed Company). Este gen bacteriano codifica una variante tolerante al glifosato de la enzima 5-enolpyruvulshikimate-3-fosfato synthasa (EPSPS). II. Descripción de la nueva característica 1. Tolerancia a Glifosato(ver Figura 10) El glifosato (N-fosfometilglicina), ingrediente activo del Roundup, es un herbicida sistémico, post emergente, usado en todo el mundo como un agente no selectivo para control de malezas. Se transloca simplásticamente hacia los meristemas de plantas en crecimiento. El glifosato actúa como un inhibidor competitivo de la enzima 5-enolpyruvylshikimate-3 fosfato synthase (EPSPS), enzima esencial en la ruta metabólica del shikimato encargada de la producción de los aminoácidos aromáticos: fenilalanina, tirosina y triptofano (Fig.10) y se localiza en el cloroplasto (Fig. 10). La inhibición de EPSPS resulta en la acumulación de shikimato y el bloqueo de la síntesis de los aminoácidos aromáticos necesarios tanto para su incorporación en proteínas como en la síntesis de metabolitos secundarios. En consecuencia, la presencia de glifosato determina supresión de crecimiento y muerte de la planta. La vía biosintética del shikimato solamente se encuentra en plantas y microorganismos. Se han clonado los genes correspondientes a las enzimas de la vía. Mutaciones en el gen que codifica EPSPS o su sobre-expresión determinan tolerancia al glifosato en cultivos celulares o plantas.

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2. Ingeniería (Diseño) Genética a) El inserto El gen cp4 epsps derivado de la cepa CP4 de Agrobacterium tumefaciens codifica la enzima C4-EPSPS altamente insensible al glifosato. Esta enzima solamente difiere en un aminoácido de la versión EPSPS de las plantas (alanina por glicina). Las plantas que expresan C4-EPSPS continúan la síntesis de aminoácidos aromáticos en presencia de glifosato. b) Secuencias reguladoras y otras señales La región codificante del gen cp4 epsps se colocó bajo la regulación de un fuerte promotor constitutivo del Virus del Mosaico de Coliflor (P-CaMV E35S) y termina con la secuencia terminador (T-nos) del gen nos (nopalina sintetasa) derivado de Agrobacterium tumefaciens (Fig. 11). Una secuencia de ADN derivada de Petunia x hybrida que codifica para un péptido de tránsito cloroplástico (CTP4 chloroplast transit peptide) fue clonado en el extremo 5’ del gen. La secuencia que codifica CTP4 unido a la región codificante del gen cp4 epsps determinan la producción de una proteína de fusión que facilita la importación de la enzima recientemente traducida dentro del cloroplasto, donde tanto la ruta de la shikimato como de el sitio de acción de glifosato están localizado. Una vez importada al cloroplasto, el péptido de tránsito es eliminado y rápidamente degradado por una proteasa específica. La EPSPS es ubicua en la naturaleza y por lo tanto no se espera que sea tóxica o alérgena. Cuando se realizaron análisis comparativos con el banco de secuencias de polipéptidos tóxicos o alergénicos conocidos, la secuencia de aminoácidos de la enzima no mostró homologías significativas con ellos. c) Método desarrollado. La variedad de soja comercial A5403 (Asgrow Seed Co.) fue transformada por medio de bombardeo con partículas de oro, con el plasmido vector PV-GMGT04 amplificado en Escherichia coli (ver Fig. 12). El plásmido contiene el gen cp4 epsps (CP4 EPSPS en el esquema de la Fig. 11) que confiere tolerancia a glifosato, el genuidA (GUS en la Fig. 12) para la producción de beta-glucuronidasa como un marcador reportero y el gen nptII para resistencia a antibióticos (kanamicina) como marcador de selección. 3. Evaluación de las líneas transgénicas a) Caracterización de la integración y estabilidad en el genoma vegetal Se caracterizaron diferentes eventos de transformación en cuanto a: número de copias del casete insertado, presencia de rearreglos y la identificación de las diferentes secuencias insertadas. En el evento GTS 40-3-2 (Padgette et al., 1995) solo se detectó una copia del “ gen cassette CP4 EPSPS”, consistente en el promotor E35S del Virus del Mosaico de Coliflor (CaMV), el péptido de tránsito cloroplástico ct4, la secuencia codificadora cp4 epsps, y la señal de poliadenilación t-nos (Fig. 12).No se detectó incorporación de ninguna región codificadora externa a la fusión génica al vector plasmídico original. En posteriores generaciones se demostró que no hubo segregación de la fusión génica descripta anteriormente, mostrando que la línea GTS 40-3-2 seguía patrones clásicos de herencia, para la fusión génica. Análisis de ADN durante las seis generaciones siguientes mostraron que la inserción fue estable. Estudios de caracterización mas recientes, han mostrado que, durante la integración del inserto de ADN ocurrieron varios reordenamientos y que, además del inserto funcional primario, el evento 40-3-2 de soja Roundup Ready contiene dos segmentos pequeños no funcionales de ADN insertado de 250pb y 72pb respectivamente (Monsanto, 2000; Windels et al., 2001).

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b) Expresión estable Sumado al análisis de estabilidad en la integración debe confirmarse la estabilidad en el nivel de expresión del transgén. Esto se realiza a varios niveles: transcripcional (acumulación de ARNm); a nivel proteico (acumulación de la proteína CP4 EPSPS) y a nivel del fenotipo (tolerancia a glifosato) en varios tejidos de la planta. Si bien el promotor es constitutivo y fuerte, diferentes eventos de transformación pueden generar líneas inestables en su expresión. EXTRAÍDO DE • Canadian Food Inspection Agency, Decision Document DD95-05. 1995.The analysis of Food Samples for the Presence of Genetically Modified Organism. • Development, Identification and Characterization of a Glifosato – Tolerant Soybean Line. Padgette, S. R. et al. 1995. Crop Science 35: 1451-1461.

Figura 10. Dentro del cloroplasto la EPSPS cataliza la reacción de la shikimato-3-fosfato y fosfoenolpyruvate (PEP) a la forma 5-enolpyruvylshikimato-3-3 fosfato (EPSP) y fosfato. EPSP es un intermediario para la síntesis de aminoácidos aromáticos. Como una consecuencia de la inhibición de esta ruta bioquímica, la síntesis de proteínas es interrumpida, resultando en la muerte de la planta. EPSPS es el único objetivo biológico del glifosato en las planta, y ninguna otra enzima que utilice PEP es inhibida por glifosato.

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Figura 11. Representación esquemática del “cassette CP4 EPSPS” introducido a la Soja RR (Roundup Ready).

Figura 12. Mapa del plásmido (vector) PV-GMGT04 usado en el evento de transformación de la Soja RR (tomado de Monsanto, 2000)

PREGUNTA 1 i) Identifique y detalle la función que cumple cada una de las secuencias del inserto descritas en la Fig. 11. Utilice para su respuesta el diagrama realizado en el punto anterior. ¿En dónde ubica el ORF en este transgen? ii) Si deseara fabricar su propio transgénico resistente al glifosato diferente al descrito anteriormente ¿qué partes del diseño de la Fig. 11 podría mantener constantes y que partes podría modificar? iii) COMPLEMENTARIA: Identifique en la Fig. 12 (plásmido) las secuencias más relevantes aclarando la función que cumple cada una. Identifique también la secuencia presente en el evento GTS 40-3-2.

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PREGUNTA 2 i) Describa mediante un diagrama de una célula vegetal el flujo de información genética del gen de la soja que codifica la EPSPS necesaria para la vía de shikimato. ii) Complete dicho diagrama en el caso de una planta de soja RR. ¿Cuál es el genotipo de una planta transgénica homocigota considerando el gen nativo y el transgén? PREGUNTA 3 En cuanto a la obtención de plantas transgénicas: i) Señale las principales etapas del proceso de obtención de plantas transgénicas desde células transformadas a plantas transgénicas regeneradas, fértiles y estables. ii) Aclare los términos: marcador de selección, evento de transformación, generación To, T1, T2. iii) Señale los criterios a tener en cuenta en el diseño de transgenes. PREGUNTA 4 En la siguiente tabla se presentan los resultados de una F2 (F1 x F1) de un cruzamiento primario entre la línea homocigota Genéticamente Modificada Resistente a Glifosato 40-3-2 (P1) y 17 cultivares no transgénicos (P2). Familia 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Total

Tolerantes 17 10 12 16 16 14 18 10 17 6 15 17 10 16 3 18 19 234

Susceptibles 4 2 4 4 5 3 5 4 7 3 4 1 1 5 1 3 5 61

Total

Proporción

295

Teniendo en cuenta la información anterior: a) analice los resultados de las 17 familias de descendientes y proponga una proporción entre ambos fenotipos.

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b) Proponga genotipos para las plantas P1 , P2, F1 y F2. c) ¿Qué tipo de herencia presenta el transgén introducido en la línea Genéticamente Modificada 40-3-2? d) ¿Cómo incorporaría el carácter RR a la variedad de soja mejor adaptada a su zona agrícola? ¿qué herramientas discutidas en el curso utilizaría para lograr esta incorporación en el menor tiempo posible?

PREGUNTAS COMPLEMENTARIAS 1. Comente las implicancias de que las inserciones de los transgenes se realicen en el genoma nuclear y en el genoma cloroplástico en cuanto a la contaminación (flujo) genético no deseados. 2. Existen otras alternativas para generar tolerancias a glifosato utilizando genes vegetales como la sobreproducción de EPSP por amplificación de número de copias (mutagénesis generada durante cultivo in vitro: variación somaclonal), por control del gen bajo un promotor constitutivo o por mutaciones puntuales en el gen endógeno. Compare dichas estrategias con las presentes en la soja RR.

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Unidad III - Tema 10 Los genes en las poblaciones. Frecuencias genéticas. Población en equilibrio. Factores que influyen en las frecuencias y sus consecuencias. Objetivos 1. Conocer la composición genética de una población. 2. Determinar las fuerzas que determinan cambios en poblaciones. 3. Identificar los cambios que producen las diferentes fuerzas en la composición de la población. Principales conceptos 1. En cualquier especie, la mayor parte de la variación genética, dentro y entre poblaciones es causada por la existencia de varios alelos en los diversos loci. 2. El método fundamental para conocer la composición genética de las poblaciones es la frecuencia en que los alelos son encontrados en cada locus génico de interés. 3. La frecuencia de un alelo dado en una población puede cambiar por mutación, selección, migración o por deriva genética. 4. En una población ideal en que no actúan fuerzas de cambio, una población de cruzamiento aleatorio, mostrará frecuencias genotípicas constantes en un locus dado. En los primeros años de la Genética, a partir del redescubrimiento de las Leyes de Mendel, algunos pioneros de esta nueva ciencia se formulaban las siguientes preguntas: 1) En las poblaciones naturales, ¿debían cumplirse las relaciones genotípicas 1 – 2 – 1, establecidas por la primera Ley de Mendel para la segregación de un par de alelos? 2) En dichas poblaciones, ¿ los alelos dominantes, por su condición de dominantes, tenderían a desplazar a los recesivos? En 1908, ambos problemas fueron categóricamente resueltos, en sendas publicaciones independientes, por Hardy y Weinberg, fundando las bases teóricas de la Genética de Poblaciones. Estudie la “LEY DE HARDY – WEINBERG”, que trata el equilibrio genético en las poblaciones naturales. El objetivo de esta práctica, consistirá en tratar de responder ambas interrogantes, para lo cual partiremos de una muestra real, tomada de una población natural. Dicha muestra, que fue tomada por Boyd en l939, de la población de beduinos del desierto de Siria, consistió en 208 individuos clasificados en función de los grupos sanguíneos MN, y está integrada por: MM

MN

NN

TOTAL

119

76

13

208

Observaciones: a) Los grupos sanguíneos MN están determinados por los alelos M y N, siendo la relación entre ambos alelos de codominancia.

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b) Considere que la muestra es representativa de la población de beduinos del desierto de Siria c) Asumimos como requisito básico que los casamientos entre los individuos de los tres fenotipos ocurren, exclusivamente, en función del azar. d) Tenga en cuenta que para realizar el análisis el único conocimiento básico necesario es la Primera Ley de Mendel e) Discuta la siguiente afirmación: “Los grupos sanguíneos MN, cumplen con el punto 3, referido a la aleatoriedad de los casamientos entre los individuos de los tres genotipos posibles”. ACTIVIDADES A REALIZAR 1. a) Transforme los valores absolutos para los tres fenotipos de la muestra en frecuencias. Estas frecuencias de la muestra tomada ¿se encuentran en la proporción mendeliana 1– 2–1? Utilice la prueba de chi 2 para fundamentar su respuesta. b) Teniendo en cuenta que los casamientos ocurren al azar con respecto a los grupos sanguíneos y, considerando que se trata de una población estadísticamente repre-sentativa de la población original, discuta si, como suponían algunos pioneros de la genética, la nueva generación tenderá a aproximarse a una proporción 1 – 2 – 1 o no. c) Para verificar su respuesta trabaje directamente con los genotipos, representando en un cuadro todos los casamientos posibles entre los individuos de la población y teniendo en cuenta las frecuencias genotípicas originales. ¿Cuál fue el resultado obtenido? d) Si las frecuencias genotípicas originales se hubieran encontrado en la proporción 1 – 2 – 1 ¿cuál hubiera sido el resultado obtenido? e) ¿Se puede considerar a los individuos como vehículos de los genes?. Cómo pasan los genes de una generación a la siguiente o dicho de otra manera, ¿cuál es el puente físico real entre una generación y la siguiente? f) De acuerdo con su respuesta a esta pregunta, ¿habrá una forma más simple de llegar a la próxima generación que la utilizada trabajando con los genotipos?. Utilícela. g) ¿Cuáles son sus conclusiones con respecto a la pregunta de los pioneros de la genética? 2. Sus resultados del ejercicio anterior ¿serán generalizables o dependerán de las frecuencias genotípicas utilizadas? Para responder esta pregunta, estime por la vía rápida, como será la próxima generación, partiendo de las muestras de las siguientes poblaciones: Grupo

MM

MN

NN

Total

Aborígenes australianos

3

44

55

102

Indios americanos (Puebla)

83

46

11

140

Datos de origen desconocido

64

500

35

599

¿Qué generalizaciones podrían hacerse a partir de estos resultados? Discuta qué condiciones deberían cumplirse para que una población natural se encuentre en equilibrio genético.

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3. Los siguientes son datos de dos poblaciones de una especie vegetal con reproducción sexuada y de polinización abierta. Genotipos

Población 1

Frecuencias

Población 2

AA

85 plantas

295 plantas

Aa

430 plantas

10 plantas

aa

485 plantas

695 plantas

1000 plantas

1000 plantas

Total:

Frecuencias

a) Calcule las frecuencias genotípicas y génicas de ambas poblaciones. Realice los planteos claros y ordenados. b) Estime si esas poblaciones se hallan en equilibrio para el locus considerado. Fundamente sus respuestas con los planteos y realice confirmaciones estadísticas cuando lo considere necesario. c) Considerando que ambas poblaciones provienen de una antigua población antecesora que, varias generaciones atrás, se encontraba en equilibrio para dicho locus, con una frecuencia del alelo A de 0,3.c1)Discuta cuál, o cuáles, pueden haber sido los factores (naturales o artificiales) más relevantes, para que se hayan originado dos poblaciones diferentes a partir de la misma población antecesora. c2)Teniendo en cuenta su respuesta, ¿podría estimar cuántas generaciones, como mínimo, habrían transcurrido entre la población antecesora y la actual población 2? Explicite claramente el razonamiento seguido. PROBLEMAS COMPLEMENTARIOS 1. El albinismo es una condición extremadamente rara en las poblaciones humanas, en la población inglesa, por ejemplo, aproximadamente 1 de cada 20.000 niños nacidos es albino. Se sabe que los albinos son homocigotas para el alelo recesivo “s”. a) Suponiendo que la población está en equilibrio para esta característica estime la frecuencia del alelo “S” y las correspondientes frecuencias genotípicas. b) Cómo podríamos saber en este caso, con una frecuencia tan baja para uno de los alelos, si la población está en equilibrio? c) ¿Porqué, la mayoría de los casos de albinismo, ocurre entre los hijos de los matrimonios entre primos? d) Teniendo en cuenta las frecuencias genotípicas estimadas, estime la probabilidad de que una pareja de fenotipo normal, tenga un hijo albino. 2. ¿Qué relación piensa Ud. que puede tener el ejemplo del albinismo con la variabilidad genética natural en las poblaciones, la selección, la conservación del germoplasma y la genética de poblaciones?

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3. En el maíz el gene R origina presencia de antocianinas en la base de las espiguillas femeninas (marlo rojizo) y en otras partes de la planta. Es dominante sobre su alelo r que determina ausencia de antocianinas (marlo blanco). Se tomó una muestra de 1000 plantas de una variedad de maíz y se contabilizaron 910 plantas de marlo rojizo y las 90 restantes de marlo blanco. a) Suponiendo que esta población está en equilibrio para este locus, estime las frecuencias fenotípicas, génicas y genotípicas. b) Como, realmente, se desconoce si esta población está o no en equilibrio para este locus, se realizó el siguiente experimento: i. Se dejó que todas las plantas de esta variedad, sembradas en una parcela, se fecundaran al azar. ii. Se cosecharon solamente las semillas de las plantas que tuvieran marlo blanco. iii. Al año siguiente se sembraron esas semillas y se obtuvieron 5000 plantas de las cuales se determinó que 3000 tenían marlo rojizo y 2000 marlo blanco. iv. Con estos datos se estimaron las frecuencias génicas de la variedad original, calcúlelas. v. Se estimó que esa población original no estaba en equilibrio para estos genes, conclusión que fue debidamente comprobada estadísticamente. Analice por qué se llegó a esa conclusión. c) ¿Qué otro experimento podría diseñarse que le permitiría estimar con precisión las frecuencias génicas y decidir si la población estaba o no en equilibrio para ese locus?.

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Unidad III - Tema 11 Variaciones en la estructura y en el número de los cromosomas. Consecuencias genéticas. Objetivos. 1. Analizar aspectos de la variabilidad cromosómica de los organismos, con especial énfasis en plantas. 2. Entender los posibles orígenes y establecimiento de variaciones estructurales y numéricas, y sus consecuencias genéticas.

Conceptos principales Los genomas son mutables en relación a estructura y número de cromosomas. La poliploidía juega un rol preponderante en la variabilidad intraespecífica y la formación de nuevas especies. 1. ¿Cuál será, a su juicio, la consecuencia cromosómica inmediata de la euploidía y en consecuencia, cuál será el efecto genético inmediato de la euploidía? 2. Comparando con la poliploidía, ¿las otras mutaciones cromosómicas tendrán un efecto similar? Explique qué efectos se podría esperar en cada una de las mutaciones estructurales, en la aneuploidía, en la haploidía.¿Por qué? 3. Suponga una especie vegetal que es autotetraploide con meiosis normal y genotipo AAaa. a) Teniendo en cuenta que en este caso la meiosis es normal, indique cuántas clases de gametos diferentes producirá y en qué proporciones. Usando el tablero de Punnett obtenga la posible descendencia de esta planta por autofecundación. b) Compare sus resultados con los obtenidos a partir de la autofecundación de un híbrido Aa. ¿Qué ocurrió con las proporciones mendelianas clásicas? ¿Qué tipos de herencia estamos comparando? c) A partir de estos resultados ¿considera que la selección en poliploides será más simple o más compleja que en diploides? Fundamente su respuesta. 4. Para un gene con dos alelos (A y a) ¿cuántos genotipos tetraploides diferentes son posibles? Escriba dichos genotipos e indique cuáles son homocigotos y cuáles son heterocigotos. Suponga que, para el caso del item anterior, considera un segundo gene representado por los alelos B y b. Teniendo en cuenta ambos genes, escriba todos los genotipos posibles e indique cuáles son homocigotas y cuáles heterocigotas. Si ambos genes fueran miembros de sendas series alélicas, con cuatro alelos diferentes cada una, ¿cómo representaría el genotipo más heterocigótico posible? Si ahora, ubica dichos alelos en el/los correspondientes cromosomas, ¿de cuántas maneras diferentes podría hacerlo? Represéntelas gráficamente.

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Explique las razones que nos permiten decir, que un organismo tetraploide puede contener mayor variabilidad genética que un diploide. 5. ¿Qué son gametos no reducidos? ¿Por qué un tetraploide originado a partir de gametos no reducidos tiene la potencialidad de contener más variabilidad genética que uno de origen somático? 6. ¿Qué relación existe entre la poliploidía, la segregación cromosómica irregular, la formación de gametos genéticamente desbalanceados y la esterilidad cromosómica, tan frecuente en los poliploides? ¿Por qué muchos alopoliploides no presentan esterilidad cromosómica? ¿Cuál es el fenómeno citológico que está en la base de estos problemas? PROBLEMA COMPLEMENTARIO 1. Comparando con la poliploidía, ¿las otras mutaciones cromosómicas tendrán un efecto similar? Explique qué efectos se podría esperar en cada una de las mutaciones estructurales, en la aneuploidía, en la haploidía.¿Por qué?

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Unidad III - Tema 12 Evolución natural y domesticación. Especiación. Hibridaciones interespecíficas. Origen de algunas especies cultivadas y su domesticación. Objetivos 1. Introducir los conceptos sobre la evolución natural de los organismos, con énfasis en vegetales superiores. 2. Realizar un análisis comparativo con el proceso de domesticación realizada por el ser humano.

Conceptos principales La evolución natural como fenómeno de diversificación. La importancia que tiene el fenómeno de hibridación interespecífica en los vegetales. Las consecuencias de la domesticación: El síndrome de domesticación y el estrechamiento de la base genética de las plantas cultivadas 1. Se ha avanzado mucho en el estudio de la evolución en la tribu de las triticeas a la que pertenece el género Triticum. a) Analice el esquema sobre evolución del trigo de la figura 13, anotando según sea necesario los números cromosómicos o los correspondientes genomios. b) En la evolución del trigo se descubrió un fenómeno genético de gran importancia que está relacionado con el comportamiento de los cromosomas durante la meiosis de T. aestivum. ¿En qué consiste dicho fenómeno y en qué momento de la evolución del trigo habría ocurrido? ¿Existirá algún recurso experimental que tal vez permita arrojar alguna luz sobre este dilema? La hipótesis sobre la evolución del trigo expuesta en el esquema ¿podría ser confrontada experimentalmente? c) La evolución del trigo de pan es un ejemplo de control genético de la meiosis. Explique esta afirmación. 2. En la familia de las Crucíferas el género Brassica es un interesante ejemplo de hibridaciones interespecíficas de gran interés económico. Analice el esquema de la Figura 14. La comparación de los números cromosómicos de las tres especies originales de Brassica, ¿nos indican algo acerca de los factores implicados en la evolución de este grupo de plantas?

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Figura 13.-

Figura 14.-

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3. Analice comparativamente los esquemas que explican la evolución de especies cultivadas de los géneros Triticum y Brassica. Observe que en el primer caso es de fundamental importancia la duplicación del número de cromosomas. Discuta de qué formas puede llegarse a esa duplicación. PROBLEMAS COMPLEMENTARIOS 1. Las bananas cultivadas son triploides y no tienen semillas. Algunas especies de bananas del género Musa son diploides y tienen genomios AA (silvestre comestible) y otras de genomios BB (silvestre no comestible, con alta tolerancia a la sequía y resistencia a varias enfermedades). Las económicamente más importante son triploides (2n=3x=33) algunas con genomios AAA, otras AAB y otras ABB. Explique el posible origen de las triploides y la posible relación entre la triploidía y la esterilidad de las bananas. 2. Actualmente se cultivan semillas triploides de sandía, para evitar la formación de semillas. Las comunes con semilla son diploides. Busque en la bibliografía disponible cómo se llega a obtener las plantas triploides de sandía. 3. La especie de algodón americana, Gossypium hirsutum, tiene 2n=52 cromosomas. Las especies del viejo mundo, G. thurberi y G. herbaceum, tienen 2n=26. En la meiosis de los híbridos entre estas especies se observaron las siguientes características (II = bivalente; I = univalente): Híbridos G. hirsutum x G. thurberi G. hirsutum x G. herbaceum G. thurberi x G. herbaceum

..... ..... .....

13 13 13

Comportamiento meiótico II cortos + 13 I largos II largos + 13 I cortos I largos + 13 I cortos

a) Interprete filogenéticamente estas observaciones mediante un diagrama, indicando claramente las relaciones entre las especies. ¿Cuántos genomios diferentes supone que hay en juego? Indíquelos en su diagrama. ¿Cómo podría probar si su interpretación es correcta? b) Según los resultados obtenidos, el híbrido entre G. thurberi y G. herbaceum ¿será fértil o estéril? Explique su respuesta ¿Cómo podría restituir la fertilidad en dicho híbrido? GLOSARIO BASICO DE TEMAS 11 Y 12. Alopoliploidía Autopoliploidía Aneuploidía Bivalentes Cariotipo Cariotipo básico (x) Cigoteno Colchicina Cromosomas homeólogos Cromosomas homólogos Esterilidad cromosómica Euploidía Gametos desbalanceados

Genomio Herencia disómica Herencia tetrasómica Híbridación interespecífica Monoploides Multivalentes Mutación cromosómica Mutación puntual Número cromosómico 2n Poliploidía Segregación irregular Sinapsis Univalentes