Guía docente de Genética del Polen (M58/56/1/42)

La formación de los estambres. Métodos de identificación y caracterización de los genes implicados en el desarrollo y función de los estambres. Genes que controlan el desarrollo de la antera y el polen. Bases genéticas de la autoincompatibilidad polen-estigma Genes implicados en la germinación del grano de polen y el crecimiento del tubo polínico. Origen genético del polimorfismo molecular en el polen. Familias multigénicas en polen. Caracterización de isoformas y variantes. Ventajas del polimorfismo. Coevolución molecular (enzimas, sustratos, ligandos, etc.). El caso de los alérgenos. Interacciones entre genes nucleares y mitocondriales que afectan al desarrollo gametofítico masculino. Esterilidad citoplásmica masculina. Aplicaciones agronómicas y biotecnológicas del análisis genético del polen. Métodos de transformación genética en polen. Inducción de haploides a partir de granos de polen. Perspectivas evolutivas de la genética del polen. Desarrollo evolutivo del proceso sexual en plantas. La diversidad de la estructura del polen y su papel en la polinización. Flujo genético a través del polen.

Haber cursado el módulo docente Genérico 

El alumno sabrá/comprenderá:

- Las bases genéticas que sustentan la formación y la funcionalidad del gametofito masculino en las Plantas Superiores.

- El papel del polen en la evolución de las especies, y las modificaciones en su estructura y comportamiento celular, encaminadas a la regulación y la consecución de la polinización y la fertilización.

- El potencial biotecnológico del grano de polen y los métodos que permiten dichos usos.

El alumno será capaz de:

- Diseñar métodos multidisciplinarios de análisis genético y de análisis de expresión génica en los tejidos de la antera, el polen aislado y el polen durante su germinación in vivo e in vitro.

- Incrementar su capacidad de investigar y profundizar en temas concretos y especializados, particularmente en aquellos más relevantes y actuales del área.

- Transferir estos conocimientos al ámbito agrícola.

• Tema 1. Genética del desarrollo y la función del estambre. El estambre: estructura y función. Etapas de la morfogénesis del estambre. Control génico del desarrollo y la función del estambre. La antera: estructura y función. Etapas de la morfogénesis de la antera. Genes que controlan el desarrollo de la antera. El tapetum: estructura y función. Mutaciones que afectan al desarrollo del tapetum: efectos sobre la fertilidad masculina.
• Tema 2. Genética del desarrollo y la función del polen. Etapas del desarrollo del gametofito masculino: microsporogénesis y microgametogénesis. Genes que regulan el desarrollo del polen. La pared del polen: estructura y función. Control génico de la morfogénesis de la exina y las aperturas del polen. Interacción entre genes nucleares y mitocondriales que afectan al desarrollo del gametofito masculino. Esterilidad citoplasmática masculina.
• Tema 3. Control génico de la polinización. Mecanismos genéticos y fisiológicos de control de la dehiscencia de la antera. Concepto de unidad polínica. La fase progámica: definición y etapas. Regulación génica de la interacción polen-pistilo. Barreras a la autofecundación: ventajas de la fecundación cruzada. Tipos de autoincompatibilidad. Bases genéticas de la autoincompatibilidad en plantas. Genes implicados en la regulación de la germinación y el crecimiento del tubo polínico. Mecanismos que regulan la orientación del tubo polínico. Control genético de la fertilización en el saco embrionario. Apomixis: ¿mejor sin meiosis?
• Tema 4. Polimorfismo genético en el polen. Origen genético del polimorfismo molecular en el polen. Familias multigénicas en el polen. El caso de los alérgenos. Ventajas del polimorfismo genético. Co- evolución molecular. Métodos de estudio del polimorfismo genético en el polen.
• Tema 5. Aplicaciones biotecnológicas. Aplicaciones agronómicas y biotecnológicas del análisis genético del polen. Métodos de transformación genética del polen. Embriogénesis gamética: definición y tipos. Embriogénesis del polen. Ventajas del uso de haploides en la mejora vegetal. Genes que regulan la embriogénesis del polen. Técnicas para estudiar la embriogénesis del polen
• Tema 6. Polen y evolución. Evolución de la reproducción sexual en las plantas: origen y mecanismos. Perspectivas evolutivas de la genética del polen. La diversidad de estructuras en el polen y su papel en la polinización. Co-evolución y polinización. Flujo genético a través del polen: OMGs y mecanismos de bio-contención genética. Reprogramación epigenética en el desarrollo del polen y en la transmisión gamética.

Seminarios/Talleres

• Elaboración y presentación de seminarios de ampliación sobre temas específicos del curso. Debate y comentarios.

Prácticas de Laboratorio

• Práctica 1. Citogenética: observación citológica y determinación de los diferentes estadios de la microsporogénesis y microgametogénesis. Métodos de squash y observación tras tinción con colorantes (microscopía óptica) y fluoróforos (microscopía de fluorescencia/confocal).
• Práctica 2. Polimorfismo molecular en el polen. Análisis bioinformático de secuencias de alérgenos con elevado grado de polimorfismo. Predicción de modificaciones postraduccionales y estructuras moleculares. Análisis filogenético.
• Práctica 3. Transmisión de gametos durante la germinación del polen in vitro: observación de núcleos con DAPI.
• Práctica 4. Disección histológica de la inducción de androgénesis mediante el cultivo de polen y anteras.

• Bhatt AM, Canales C, Dickinson HG (2001). Plant meiosis: the means to 1N. Trends Plant Sci 6(3): 114-121.
• Marchant DB, Walbot V (2022). Anther development - The long road to making pollen. Plant Cell 34: 4677-4695.
• Caryl AP, Jones GH, Franklin FCH (2003). Dissecting plant meiosis using Arabidopsis thaliana mutants. J Exp Bot 54(380): 25-38.
• Chase ChD (2006). Cytoplasmic male sterility: a window to the world of plant mitochondrial–nuclear interactions. Trends Genet 23(2): 81-90.
• Broz AK, Bedinger PA (2021). Pollen-pistil interactions as reproductive barriers. Ann. Rev. Plant Biol. 72: 615-639.
• Ma H (2005). Molecular genetic analyses of microsporogenesis and microgametogenesis in flowering plants. Annu Rev Plant Biol 56: 393–434.
• Malhó R (Ed.) (2006). The pollen tube: a cellular and molecular perspective. Springer-Verlag, Berlin.
• Ottaviano E, Mulcahy D (1989). Genetics of Angiosperm pollen. En: Advances in Genetics 26, Scandalios JG (Ed.), Elsevier, pp. 1-64.
• Shivanna KR, Sawhney VK (Eds.) (2005). Pollen Biotechnology for crop production and improvement. Cambridge University Press.
• Yang WC, Sundaresan V (2000). Genetics of gametophyte biogenesis in Arabidopsis. Curr Opin Plant Biol 3(1): 53-57.
• Kinoshita A, Richter R (2020). Genetic and molecular basis of floral induction in Arabidopsis thaliana. J. Exp. Bot. 71 (9): 2490-2504.

• Airoldi CA (2010). Determination of sexual organ development. Sex Plant Reprod 23: 53-62.
• Chapman LA, Goring DR (2010). Pollen-pistil interactions regulating successful fertilization in the Brassicaceae. J Exp Bot 61(7): 1987–1999.
• Daniel H (2002). Molecular strategies for gene containment in transgenic crops. Nature Biotech 20: 581-586.
• Edlund AF, Swanson R, Preuss D (2004). Pollen and Stigma structure and function: the role of diversity in pollination. Plant Cell 16: S84-S97.
• Furnessa CA, Rudalla PJ (2004). Pollen aperture evolution – a crucial factor for eudicot success? Trends Plant Sci 9(3): 154-158.
• Mizuta Y, Higashiyama T (2018). Chemical signaling for pollen tube guidance at a glance. J. Cell Sci. 131 (2): jcs208447.
• Hörandl E (2010). The evolution of self-fertility in apomictic plants. Sex Plant Reprod 23: 73-86.
• Hunter P (2009) Me, myself and I. EMBO J 10 (12): 1297-1300.
• Le Trionnaire G, Twell D (2010). Small RNAs in angiosperm gametophytes: from epigenetics to gamete development. Genes Dev 24: 1081-1085.
• Moon HS, Li Y, Stewart CN (2010). Keeping the genie in the bottle: transgene biocontainment by excision in pollen. Trends Biotech 28(1): 3-8.
• Ravi M, Marimuthu MP, Siddiqi I (2008). Gamete formation without meiosis in Arabidopsis. Nature 451(7182): 1121-1124.
• Cameron C, Geitmann A (2018). Cell mechanics of pollen tube growth. Curr. Opin. Genetics Dev. 51: 11-17.
• Takayama S, Isogai A (2005). Self-Incompatibility in plants. Annu Rev Plant Biol 56: 467-489.
• Warwick SI, Beckie HJ, Hall LM (2009). Gene flow, invasiveness, and ecological impact of genetically modified crops. Ann NY Acad Sci 1168: 72-99.
• Wheeler MJ, Vatovec S, Franklin-Tong VE (2010). The pollen S-determinant in Papaver: comparisons with known plant receptors and protein ligand partners. J Exp Bot 61(7): 2015–2025.

International Association of Sexual Plant Reproduction Research: https://www.iasprr.org/