Los hongos son un grupo diverso de organismos que emplean una enorme variedad de estrategias reproductivas , que van desde especies totalmente asexuales hasta especies casi exclusivamente sexuales . [1] La mayoría de las especies pueden reproducirse tanto sexual como asexualmente, alternando entre formas haploides y diploides. Esto contrasta con la mayoría de los eucariotas multicelulares, como los mamíferos, donde los adultos suelen ser diploides y producen gametos haploides que se combinan para formar la siguiente generación. En los hongos, se pueden reproducir tanto las formas haploides como las diploides: los individuos haploides pueden experimentar una reproducción asexual, mientras que las formas diploides pueden producir gametos que se combinan para dar lugar a la siguiente generación. [2]
El apareamiento en los hongos es un proceso complejo regido por los tipos de apareamiento . La investigación sobre el apareamiento de hongos se ha centrado en varias especies modelo con comportamiento diferente. [3] [4] No todos los hongos se reproducen sexualmente y muchos de los que lo hacen son isógamos ; por tanto, para muchos miembros del reino fúngico, los términos "masculino" y "femenino" no se aplican. Las especies homotálicas pueden aparearse entre sí, mientras que en las especies heterotálicas sólo pueden aparearse aislados de tipos de apareamiento opuestos.
El apareamiento entre hongos isógamos puede consistir únicamente en una transferencia de un núcleo de una célula a otra. La incompatibilidad vegetativa dentro de las especies a menudo impide que un aislado de hongo se aparee con otro aislado. Los aislados del mismo grupo de incompatibilidad no se aparean o el apareamiento no conduce a una descendencia exitosa. Se ha informado una gran variación, incluido el apareamiento del mismo quimiotipo, el apareamiento de esporofito a gametofito y la transferencia biparental de mitocondrias.
Una hifa zigomiceta crece hacia una pareja compatible y ambos forman un puente, llamado progametangia, al unirse en las puntas de las hifas mediante plasmogamia . Se forma un par de septos alrededor de las puntas fusionadas, que encierran los núcleos de ambos aislados. Un segundo par de tabiques forma dos células adyacentes, una a cada lado. Estas células adyacentes, llamadas suspensoras, proporcionan soporte estructural. La célula central, llamada cigosporangio , está destinada a convertirse en espora . El zigosporangio es una estructura única de Zygomycota y es fácilmente reconocible en microscopía debido a su característico color oscuro y forma puntiaguda. Los núcleos se unen en un proceso llamado cariogamia para formar un cigoto , que crece hasta convertirse en un cigomiceto diploide maduro. Luego, un zigomiceto diploide puede sufrir meiosis para crear esporas, que se dispersan y germinan. Las siguientes generaciones de micelio pueden sufrir reproducción asexual o sexual. [5]
A medida que se acerca a una pareja, un hongo de saco haploide desarrolla uno de dos órganos complementarios, un ascogonio "femenino" o un anteridio "masculino". Estos órganos se parecen a los gametangios excepto que contienen sólo núcleos. Se forma un puente, el tricogino, que proporciona un pasaje para que los núcleos viajen desde el anteridio al ascogonio. Un dikaryon crece a partir del ascogonio y la cariogamia ocurre en el cuerpo fructífero .
Neurospora crassa es un tipo de moho rojo del pan del filo Ascomycota . N. crassa se utiliza como organismo modelo porque es fácil de cultivar y tiene un ciclo de vida haploide: esto simplifica el análisis genético , ya que los rasgos recesivos aparecerán en la descendencia. El análisis de la recombinación genética se ve facilitado por la disposición ordenada de los productos de la meiosis dentro de una estructura en forma de saco llamada ascus (pl. asci ). En su entorno natural, N. crassa vive principalmente en regiones tropicales y subtropicales. A menudo se puede encontrar creciendo sobre materia vegetal muerta después de incendios.
Neurospora fue utilizada por Edward Tatum y George Wells Beadle en los experimentos por los que ganaron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1958. Los resultados de estos experimentos condujeron directamente a la hipótesis de " un gen, una enzima ", según la cual genes específicos codifican para genes específicos. proteínas . Este concepto lanzó la biología molecular . [6] Los cuerpos fructíferos sexuales (peritecios) solo pueden formarse cuando se juntan dos células de diferente tipo de apareamiento (ver Figura). Al igual que otros ascomicetos, N. crassa tiene dos tipos de apareamiento que, en este caso, están simbolizados por A y a . No existe una diferencia morfológica evidente entre las cepas de tipo A y de apareamiento. Ambos pueden formar abundantes protoperithecios, la estructura reproductiva femenina (ver Figura). Los protoperithecios se forman más fácilmente en el laboratorio cuando el crecimiento ocurre en un medio sintético sólido (agar) con una fuente relativamente baja de nitrógeno. [7] La falta de nitrógeno parece ser necesaria para la expresión de genes implicados en el desarrollo sexual. [8] El protoperithecium consiste en un ascogonio, una hifa multicelular enrollada que está encerrada en una agregación de hifas en forma de nudo. Un sistema ramificado de hifas delgadas, llamado tricogino, se extiende desde la punta del ascogonio y se proyecta más allá de las hifas que lo recubren en el aire. El ciclo sexual se inicia (es decir, ocurre la fertilización) cuando una célula, generalmente un conidio, de tipo de apareamiento opuesto, entra en contacto con una parte del tricogino (ver Figura). Dicho contacto puede ir seguido de una fusión celular que conduce a que uno o más núcleos de la célula fertilizadora migren por la tricogina hacia el ascogonio. Dado que tanto la cepa A como la a tienen la misma estructura sexual, ninguna de ellas puede considerarse exclusivamente masculina o femenina. Sin embargo, como receptor, el protoperithecio de las cepas A y a puede considerarse la estructura femenina, y el conidio fertilizador puede considerarse el participante masculino.
Fincham y Day describieron los pasos posteriores a la fusión de células A y haploides . [9] y Wagner y Mitchell. [10] Después de la fusión de las células, se retrasa la fusión adicional de sus núcleos. En cambio, un núcleo de la célula fertilizadora y un núcleo del ascogonio se asocian y comienzan a dividirse sincrónicamente. Los productos de estas divisiones nucleares (todavía en pares de tipos de apareamiento diferentes, es decir, A/a ) migran hacia numerosas hifas ascógenas, que luego comienzan a crecer a partir del ascogonio. Cada una de estas hifas ascógenas se dobla para formar un gancho (o báculo ) en su punta y la A y un par de núcleos haploides dentro del báculo se dividen sincrónicamente. A continuación, se forman septos para dividir el báculo en tres celdas. La celda central en la curva del gancho contiene un núcleo A y otro a (ver Figura). Esta célula binuclear inicia la formación de ascus y se denomina célula "ascus-inicial". A continuación, las dos células uninucleadas a cada lado de la primera célula formadora de asco se fusionan entre sí para formar una célula binucleada que puede crecer para formar un báculo adicional que luego puede formar su propia célula inicial de asco. Luego, este proceso se puede repetir varias veces.
Después de la formación de la célula ascus-inicial, los núcleos A y a se fusionan entre sí para formar un núcleo diploide (ver Figura). Este núcleo es el único núcleo diploide en todo el ciclo vital de N. crassa . El núcleo diploide tiene 14 cromosomas formados a partir de dos núcleos haploides fusionados que tenían 7 cromosomas cada uno. La formación del núcleo diploide es seguida inmediatamente por la meiosis . Las dos divisiones secuenciales de la meiosis dan lugar a cuatro núcleos haploides, dos del tipo de apareamiento A y dos del tipo de apareamiento A. Una división mitótica adicional conduce a cuatro núcleos A y cuatro núcleos en cada asca. La meiosis es una parte esencial del ciclo de vida de todos los organismos que se reproducen sexualmente y, en sus características principales, la meiosis en N. crassa parece típica de la meiosis en general.
A medida que ocurren los eventos anteriores, la vaina micelial que había envuelto el ascogonio se desarrolla a medida que la pared del peritecio se impregna de melanina y se ennegrece. El peritecio maduro tiene una estructura en forma de matraz.
Un peritecio maduro puede contener hasta 300 ascos, cada uno de ellos derivado de núcleos diploides de fusión idénticos. Normalmente, en la naturaleza, cuando los peritecios maduran, las ascosporas se expulsan al aire con bastante violencia. Estas ascosporas son resistentes al calor y, en el laboratorio, requieren calentamiento a 60 °C durante 30 minutos para inducir la germinación. Para las cepas normales, el ciclo sexual completo dura de 10 a 15 días. En un asco maduro que contiene ocho ascosporas, los pares de esporas adyacentes son idénticos en constitución genética, ya que la última división es mitótica y las ascosporas están contenidas en el saco del asco que las mantiene en un orden definido determinado por la dirección de las segregaciones nucleares durante mitosis. Dado que los cuatro productos primarios también están dispuestos en secuencia, se puede distinguir un patrón de segregación de marcadores genéticos de primera división de un patrón de segregación de segunda división.
El hecho de que el apareamiento en N. crassa sólo pueda ocurrir entre cepas de diferentes tipos de apareamiento sugiere que la selección natural favorece cierto grado de cruzamiento. En hongos multicelulares haploides, como N. crassa , la meiosis que ocurre en la breve etapa diploide es uno de sus procesos más complejos. La etapa vegetativa multicelular haploide, aunque físicamente mucho más grande que la etapa diploide, se caracteriza por una construcción modular simple con poca diferenciación. En N. crassa , las mutaciones recesivas que afectan a la etapa diploide del ciclo vital son bastante frecuentes en las poblaciones naturales. [11] Estas mutaciones, cuando son homocigotas en la etapa diploide, a menudo causan que las esporas tengan defectos de maduración o produzcan cuerpos fructíferos estériles con pocas ascosporas (esporas sexuales). La mayoría de estas mutaciones homocigotas causan meiosis anormal (por ejemplo, alteración del emparejamiento cromosómico o alteración del paquiteno o diploteno). [12] Se estimó que el número de genes que afectan a la etapa diploide era al menos 435 [11] (alrededor del 4% del número total de 9.730 genes). Por lo tanto, el cruzamiento, promovido por la necesidad de unión de tipos de apareamiento opuestos, probablemente proporciona el beneficio de enmascarar mutaciones recesivas que de otro modo serían perjudiciales para la formación de esporas sexuales (ver Complementación (genética) ).
Saccharomyces cerevisiae , levadura de cerveza y panadería, se encuentra en el filo Ascomycota . Durante el crecimiento vegetativo que normalmente ocurre cuando los nutrientes son abundantes, S. cerevisiae se reproduce por mitosis como células haploides o diploides. Sin embargo, cuando mueren de hambre, las células diploides sufren meiosis para formar esporas haploides. [13] El apareamiento ocurre cuando células haploides de tipo de apareamiento opuesto, MATa y MATα, entran en contacto. Ruderfer et al. [14] señalaron que estos contactos son frecuentes entre células de levadura estrechamente relacionadas por dos razones. La primera es que las células de tipo de apareamiento opuesto están presentes juntas en el mismo ascus , el saco que contiene la tétrada de células producidas directamente por una sola meiosis, y estas células pueden aparearse entre sí. La segunda razón es que las células haploides de un tipo de apareamiento, al dividirse, a menudo producen células del tipo de apareamiento opuesto con las que pueden aparearse.
Katz Ezov et al. [15] presentaron evidencia de que en las poblaciones naturales de S. cerevisiae predomina la reproducción clonal y un tipo de “autofertilización” (en forma de apareamiento intratrad). Ruderfer et al. [14] analizaron la ascendencia de cepas naturales de S. cerevisiae y concluyeron que el cruzamiento ocurre sólo aproximadamente una vez cada 50.000 divisiones celulares. Por tanto, aunque S. cerevisiae es heterotálica, parece que, en la naturaleza, el apareamiento se produce con mayor frecuencia entre células de levadura estrechamente relacionadas. La relativa rareza en la naturaleza de los eventos meióticos que resultan del cruzamiento sugiere que los posibles beneficios a largo plazo del cruzamiento (por ejemplo, generación de diversidad genética ) probablemente no sean suficientes para mantener en general el sexo de una generación a la siguiente. [ cita necesaria ] En cambio, un beneficio a corto plazo, como la reparación recombinante meiótica de los daños en el ADN causados por condiciones estresantes como el hambre, puede ser la clave para el mantenimiento del sexo en S. cerevisiae . [16] Alternativamente, las mutaciones nocivas recesivas se acumulan durante la fase de expansión diploide y se eliminan durante la autofecundación: esta purga se ha denominado "renovación del genoma" y proporciona una ventaja del sexo que no depende del cruzamiento. [17] [18]
Candida albicans es un hongo diploide que crece como levadura y como filamento. C. albicans es el hongo patógeno más común en humanos. Provoca tanto infecciones mucosas debilitantes como infecciones sistémicas potencialmente mortales. C. albicans ha mantenido un aparato de apareamiento elaborado, pero en gran medida oculto. [19] Johnson sugirió que las estrategias de apareamiento pueden permitir que C. albicans sobreviva en el ambiente hostil de un huésped mamífero. Para aparearse, C. albicans necesita cambiar de células blancas a opacas. Estas últimas son más eficientes en el apareamiento y se las conoce como células competentes para el apareamiento de C. albicans . El apareamiento en C. albicans se denomina ciclo parasexual ya que todavía no se observa meiosis en C. albicans . [20] [21]
Una imagen del mecanismo del tipo de apareamiento ha comenzado a surgir a partir de estudios de hongos particulares como S. cerevisiae . Los genes de tipo de apareamiento están ubicados en la caja homeo y codifican enzimas para la producción de feromonas y receptores de feromonas . Por tanto, la reproducción sexual depende de las feromonas producidas a partir de alelos variantes del mismo gen . Dado que la reproducción sexual tiene lugar en organismos haploides, no puede continuar hasta que una pareja adecuada proporcione genes complementarios a través de la fusión celular o de hifas. El número de tipos de apareamiento depende del número de genes y del número de alelos de cada uno.
Dependiendo de la especie, la reproducción sexual se produce mediante gametos o fusión de hifas. Cuando un receptor en un haploide detecta una feromona de un tipo de apareamiento complementario, se acerca a la fuente mediante crecimiento quimiotrópico o movimiento quimiotáctico si se trata de un gameto.
Algunas de las especies de Basidiomycota tienen los sistemas de reproducción sexual más complejos conocidos entre los hongos . En general para los hongos existen dos tipos principales de reproducción sexual: el homotalismo , cuando el apareamiento ocurre dentro de un solo individuo, o dicho de otra manera cada individuo es autofértil; y heterotalismo , cuando las hifas de un solo individuo son autoestériles y necesitan interactuar con otro individuo compatible para que se produzca el apareamiento. Además, la compatibilidad de apareamiento en Basidiomycota se clasifica además en dos tipos de sistemas de apareamiento: tetrapolar y bipolar.
El heterotalismo es el sistema de apareamiento más común en Basidiomycota y en Agaricomycotina (los hongos formadores de hongos), alrededor del 90% de las especies son heterotálicas. [22] El tipo tetrapolar de sistema de apareamiento está regido por dos loci de apareamiento no vinculados denominados A y B (en Agaricomycotina) o b y a (en Ustilaginomycotina y Pucciniomycotina ), los cuales pueden ser multialélicos. La combinación de alelos A y B (o b y a ), denominada tipo de apareamiento , determina la "especificidad" o identidad sexual del individuo que los alberga. Sólo los individuos con diferentes tipos de apareamiento son compatibles entre sí y, por lo tanto, pueden iniciar el evento de apareamiento.
Una interacción de apareamiento exitosa comienza con el intercambio nuclear y la migración nuclear que resulta en la formación de hifas dicarióticas (que contienen núcleos haploides separados de ambos padres iniciales). Las hifas dicarióticas, en las condiciones ambientales adecuadas, darán lugar al cuerpo fructífero que contiene los basidios , células especializadas en las que se produce la recombinación sexual mediante cariogamia y meiosis. Esta condición dicariótica en Basidiomycota a menudo se mantiene mediante una estructura hifal especializada llamada conexión de abrazadera . La formación de conexiones de abrazadera está regulada por ambos lugares de acoplamiento.
Ejemplos de organismos tetrapolares son las obscenidades Ustilago maydis y U. longissima , [23] [24] y los hongos Coprinopsis cinerea , Schizophyllum commune , Pleurotus djamor y Laccaria bicolor . [25]
Se cree que los sistemas multialélicos favorecen el cruzamiento en Basidiomycota. Por ejemplo, en el caso de U. maydis , que tiene más de 25 tipos de apareamiento b pero sólo 2 a , un individuo tiene aproximadamente un 50% de posibilidades de encontrar una pareja compatible en la naturaleza. [26] Sin embargo, especies como C. cinerea , que tiene más de 240 tipos de apareamiento A y B , cada una, y S. commune , que tiene más de 339 tipos de apareamiento A y 64 tipos de apareamiento B , se acercan al 100% de probabilidad. de encontrar una pareja compatible en la naturaleza, debido a la gran cantidad de tipos de apareamiento que generan estos sistemas. [27]
Por el contrario, los sistemas de apareamiento bipolares están regidos por un único locus de apareamiento alélico, denominado A o b . En Agaricomycotina, los organismos bipolares en su mayoría tienen múltiples alelos para su lugar de apareamiento A ; sin embargo, en Ustilaginomycotina y Pucciniomycotina, el locus de apareamiento b es predominantemente dialélico, lo que reduce la ocurrencia de cruzamiento dentro de estas especies . [23] La bipolaridad probablemente surgió a través de una de dos rutas potenciales:
Otras especies bipolares incluyen el hongo de pudrición blanca Phanerochaete chrysosporium [31] y el hongo comestible Pholiota nameko . [32]
En el locus B o a hay genes vinculados que codifican feromonas y receptores de feromonas . Las feromonas son polipéptidos cortos con residuos conservados [27] y los receptores de feromonas pertenecen a la familia de receptores acoplados a proteína G ubicados en la membrana celular ; detectan diferentes moléculas (en este caso las feromonas) en el exterior y activan una vía específica dentro de la célula. La interacción feromona-receptor se produce de manera que la feromona de un individuo interactúa con el receptor de la pareja y viceversa. Las funciones de estos genes son regular el intercambio nuclear recíproco, la migración nuclear en ambas parejas y, en última instancia, sujetar la fusión celular. [33] Los primeros genes receptores de feromonas de apareamiento caracterizados fueron los de U. maydis . [34]
El locus de apareamiento A o b contiene genes que codifican dos tipos de proteínas de factores de transcripción de homeodominio, generalmente estrechamente vinculadas, que son homólogas a las proteínas de apareamiento de Saccharomyces cerevisiae MATα2 y MATa1. En Agaricomycotina, los dos tipos de factores de transcripción de homeodominio se denominan HD1 y HD2; por lo que las proteínas HD1 y HD2 de un individuo interactúan con las proteínas HD2 y HD1 del otro socio, respectivamente, generando heterodímeros capaces de activar la vía transcripcional regulada A , que implica la formación de células abrazadera, división nuclear coordinada y septación . [33]
Es probable que las especies homotálicas hayan evolucionado a partir de ancestros heterotálicos (Lin y Heitman 2007). En Basidiomycota el homotalismo no es muy común y en Agaricomycotina se estima que sólo el 10% de las especies tienen un comportamiento de apareamiento homotálico. [22] Por ejemplo, una subespecie del basidiomiceto ectomicorrízico Sistotrema brinkmannii es homotálica, aunque otras subespecies han mantenido su capacidad de cruzarse. Además, una variedad del hongo comestible Agaricus bisporus , ( A. bisporus var. eurotetrasporus ) produce basidiosporas haploides autofértiles. Además, en el patógeno humano C. neoformans que se sabe que se cruza en condiciones de laboratorio, ambos tipos de apareamiento no se distribuyen normalmente en las poblaciones naturales, siendo el tipo de apareamiento α mucho más común (>99%), lo que sugiere que el homotalismo es el modo más prevalente de reproducción sexual en ´ C. neoformans en la naturaleza. [35] Finalmente, el hongo que causa la escoba de bruja en el cacao, Moniliophthora perniciosa , tiene una biología principalmente homotálica a pesar de tener genes de tipo de apareamiento A y B en su genoma . [36]
Entre las 250 especies conocidas de Aspergillus, alrededor del 36% tienen un estado sexual identificado [37]. Entre las especies de Aspergillus que exhiben un ciclo sexual, la abrumadora mayoría en la naturaleza son homotálicas (autofertilizantes). [37] La autofecundación en el hongo homotálico Aspergillus nidulans implica la activación de las mismas vías de apareamiento características del sexo en especies alógamas, es decir, la autofecundación no evita las vías requeridas para el sexo alomédico, sino que requiere la activación de estas vías dentro de un solo individuo. [38] La fusión de núcleos haploides se produce dentro de estructuras reproductivas denominadas cleistotecios, en las que el cigoto diploide sufre divisiones meióticas para producir ascosporas haploides.