Los hongos son un grupo diverso de organismos que emplean una gran 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, tanto las formas haploides como las diploides pueden reproducirse: los individuos haploides pueden experimentar 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 los hongos se ha centrado en varias especies modelo con diferentes comportamientos. [3] [4] No todos los hongos se reproducen sexualmente y muchos de los que lo hacen son isógamos ; por lo tanto, para muchos miembros del reino de los hongos, los términos "macho" y "hembra" no se aplican. Las especies homotálicas pueden aparearse entre sí, mientras que en las especies heterotálicas solo pueden aparearse los aislados de tipos de apareamiento opuestos.
El apareamiento entre hongos isógamos puede consistir únicamente en la transferencia de un núcleo de una célula a otra. La incompatibilidad vegetativa dentro de las especies a menudo impide que un hongo aislado 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 de una alta variación, incluido el apareamiento con el mismo quimiotipo, el apareamiento de esporofito a gametofito y la transferencia biparental de mitocondrias.
Una hifa de zigomiceto crece hacia una pareja compatible y ambos forman un puente, llamado progametangia, uniéndose en las puntas de las hifas a través de la plasmogamia . Se forma un par de septos alrededor de las puntas fusionadas, que encierran los núcleos de ambos aislamientos. Un segundo par de septos forma dos células adyacentes, una a cada lado. Estas células adyacentes, llamadas suspensores , proporcionan soporte estructural. La célula central, llamada zigosporangio , está destinada a convertirse en una 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 zigomiceto diploide maduro. Un zigomiceto diploide puede luego experimentar meiosis para crear esporas, que se dispersan y germinan. Las siguientes generaciones de micelio pueden experimentar reproducción asexual o sexual. [5]
A medida que se acerca a su pareja, un hongo haploide con saco desarrolla uno de dos órganos complementarios, un ascogonio "femenino" o un anteridio "masculino". Estos órganos se parecen a los gametangios, excepto que contienen solo núcleos. Se forma un puente, el tricogino, que proporciona un pasaje para que los núcleos viajen desde el anteridio hasta el ascogonio. Un dicario crece a partir del ascogonio y se produce cariogamia 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 hace que el análisis genético sea simple, 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 similar a un saco llamada asca (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 los 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 llevaron directamente a la hipótesis de " un gen, una enzima " de que genes específicos codifican proteínas específicas . Este concepto lanzó la biología molecular . [6] Los cuerpos fructíferos sexuales (peritecios) solo se pueden formar cuando se juntan dos células de diferente tipo de apareamiento (ver Figura). Al igual que otros Ascomycetes, N. crassa tiene dos tipos de apareamiento que, en este caso, están simbolizados por A y a . No hay una diferencia morfológica evidente entre las cepas de tipo de apareamiento A y a . Ambas pueden formar abundantes protoperitecios, la estructura reproductiva femenina (ver Figura). Los protoperitecios 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 involucrados en el desarrollo sexual. [8] El protoperitecio 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 hacia el aire. El ciclo sexual se inicia (es decir, se produce la fertilización) cuando una célula, generalmente un conidio, de tipo de apareamiento opuesto entra en contacto con una parte del tricogino (véase la Figura). Dicho contacto puede ser seguido por la fusión celular que conduce a que uno o más núcleos de la célula fecundante migren por el tricogino hacia el ascogonio. Dado que tanto las cepas A como a tienen las mismas estructuras sexuales, ninguna de las cepas puede considerarse exclusivamente masculina o femenina. Sin embargo, como receptor, el protoperitecio de las cepas A y a puede considerarse como la estructura femenina, y el conidio fecundante puede considerarse como el participante masculino.
Los pasos subsiguientes a la fusión de células haploides A y a han sido delineados por Fincham y Day. [9] y Wagner y Mitchell. [10] Después de la fusión de las células, la fusión posterior de sus núcleos se retrasa. En cambio, un núcleo de la célula fecundante y un núcleo del ascogonio se asocian y comienzan a dividirse sincrónicamente. Los productos de estas divisiones nucleares (aún en pares de diferente tipo de apareamiento, es decir, A/a ) migran a numerosas hifas ascógenas, que luego comienzan a crecer fuera 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 células. La célula central en la curva del gancho contiene un núcleo A y uno a (ver Figura). Esta célula binuclear inicia la formación del asco y se llama célula "asco-inicial". A continuación, las dos células uninucleadas a cada lado de la primera célula formadora de ascas se fusionan entre sí para formar una célula binucleada que puede crecer para formar otro báculo que, a su vez, puede formar su propia célula inicial de ascas. Este proceso puede repetirse varias veces.
Después de la formación de la célula inicial del asco, 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 de vida de N. crassa . El núcleo diploide tiene 14 cromosomas formados a partir de los 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 conducen a cuatro núcleos haploides, dos del tipo de apareamiento A y dos del tipo de apareamiento a . Una división mitótica más conduce a cuatro núcleos A y cuatro a en cada asco. 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 se producen los eventos anteriores, la vaina micelial que envolvía el ascogonio se desarrolla, mientras 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 derivado de núcleos diploides de fusión idénticos. Por lo general, en la naturaleza, cuando el peritecio madura, las ascosporas son expulsadas al aire de manera bastante violenta. Estas ascosporas son resistentes al calor y, en el laboratorio, requieren un calentamiento a 60 °C durante 30 minutos para inducir la germinación. En las cepas normales, el ciclo sexual completo dura entre 10 y 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 la meiosis. 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.
Que el apareamiento en N. crassa solo pueda ocurrir entre cepas de diferente tipo de apareamiento sugiere que cierto grado de cruzamiento externo es favorecido por la selección natural. 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, característicamente tiene una construcción modular simple con poca diferenciación. En N. crassa , las mutaciones recesivas que afectan la etapa diploide del ciclo de vida son bastante frecuentes en poblaciones naturales. [11] Estas mutaciones, cuando son homocigóticas 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 homocigóticas causan meiosis anormal (por ejemplo, apareamiento cromosómico alterado o paquiteno o diploteno alterado). [12] Se estimó que el número de genes que afectan la etapa diploide era de al menos 435 [11] (alrededor del 4% del número total de 9.730 genes). Por lo tanto, el cruzamiento externo, 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 (véase Complementación (genética) ).
Saccharomyces cerevisiae , la levadura de cerveza y panadería, pertenece al filo Ascomycota . Durante el crecimiento vegetativo que ocurre ordinariamente cuando los nutrientes son abundantes, S. cerevisiae se reproduce por mitosis como células haploides o diploides. Sin embargo, cuando están hambrientas, las células diploides experimentan meiosis para formar esporas haploides. [13] El apareamiento ocurre cuando las células haploides de tipo de apareamiento opuesto, MATa y MATα, entran en contacto. Ruderfer et al. [14] señalaron que tales 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 asca , 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 celular, 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 predominan la reproducción clonal y un tipo de “autofertilización” (en forma de apareamiento intratetrad). Ruderfer et al. [14] analizaron la ascendencia de las cepas naturales de S. cerevisiae y concluyeron que el apareamiento ocurre solo una vez cada 50.000 divisiones celulares. Por lo tanto, aunque S. cerevisiae es heterotálico, parece que, en la naturaleza, el apareamiento es más a menudo entre células de levadura estrechamente relacionadas. La relativa rareza en la naturaleza de los eventos meióticos que resultan del apareamiento sugiere que es poco probable que los posibles beneficios a largo plazo del apareamiento (por ejemplo, generación de diversidad genética ) sean suficientes para mantener el sexo de una generación a la siguiente. [ cita requerida ] En cambio, un beneficio a corto plazo, como la reparación recombinacional meiótica de los daños del ADN causados por condiciones estresantes como la inanición, puede ser la clave para el mantenimiento del sexo en S. cerevisiae . [16] Alternativamente, las mutaciones deletéreas recesivas se acumulan durante la fase de expansión diploide y se eliminan durante la autofecundación: esta eliminación se ha denominado "renovación del genoma" y proporciona una ventaja del sexo que no depende del cruzamiento externo. [17] [18]
Candida albicans es un hongo diploide que crece como levadura y como filamento. C. albicans es el patógeno fúngico más común en humanos. Provoca infecciones mucosas debilitantes e infecciones sistémicas potencialmente mortales. C. albicans ha mantenido un aparato de apareamiento elaborado, pero en gran parte oculto. [19] Johnson sugirió que las estrategias de apareamiento pueden permitir que C. albicans sobreviva en el entorno 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 aún no se observa meiosis en C. albicans . [20] [21]
A partir de estudios de hongos particulares, como S. cerevisiae , se ha empezado a obtener una idea del mecanismo de apareamiento . Los genes de apareamiento se encuentran en la homeobox y codifican enzimas para la producción de feromonas y receptores de feromonas . Por lo 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 hifal. El número de tipos de apareamiento depende del número de genes y del número de alelos para cada uno.
Según la especie, la reproducción sexual se produce a través de gametos o fusión de hifas. Cuando un receptor de 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 dentro de Basidiomycota tienen los sistemas más complejos de reproducción sexual conocidos entre los hongos . En general, para los hongos hay dos tipos principales de reproducción sexual: homotalismo , cuando el apareamiento ocurre dentro de un solo individuo, o en otras palabras, 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 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 ), ambos de 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. Solo los individuos con diferentes tipos de apareamiento son compatibles entre sí y, por lo tanto, capaces de 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 progenitores iniciales). Las hifas dicarióticas, en las condiciones ambientales apropiadas, darán lugar al cuerpo fructífero que contiene los basidios , células especializadas en las que se produce la recombinación sexual a través de la cariogamia y la meiosis. Esta condición dicariótica en Basidiomycota a menudo se mantiene mediante una estructura hifal especializada llamada conexión de pinza . La formación de conexiones de pinza está regulada por ambos loci de apareamiento.
Ejemplos de organismos tetrapolares son las tizones 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 externo en Basidiomycota. Por ejemplo, en el caso de U. maydis , que tiene más de 25 tipos de apareamiento b pero solo 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 posibilidades de encontrar una pareja compatible en la naturaleza, debido a la enorme cantidad de tipos de apareamiento generados por estos sistemas. [27]
Por el contrario, los sistemas de apareamiento bipolar están regidos por un único locus de apareamiento alélico, denominado A o b . En Agaricomycotina, los organismos bipolares tienen en su mayoría múltiples alelos para su locus de apareamiento A ; sin embargo, en Ustilaginomycotina y Pucciniomycotina, el locus de apareamiento b es predominantemente dialélico, lo que reduce la ocurrencia de cruzamiento externo dentro de estas especies . [23] La bipolaridad probablemente surgió a través de una de dos rutas posibles:
Otras especies bipolares incluyen el hongo de podredumbre blanca Phanerochaete chrysosporium [31] y el hongo comestible Pholiota nameko . [32]
En el locus B o a hay genes ligados 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 ocurre 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 ambos miembros de la pareja y, en última instancia, la fusión celular de pinzas. [33] Los primeros genes de receptores de feromonas de apareamiento caracterizados fueron para 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 ligadas, que son homólogas de 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 compañero, respectivamente, generando heterodímeros capaces de activar la vía regulada por transcripción A , que implica la formación de células de pinza, 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 solo 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 exogamia. 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 poblaciones naturales, y el tipo de apareamiento α se encuentra mucho más comúnmente (>99 %), lo que sugiere que el homotalismo es el modo más frecuente 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 similares a los tipos de apareamiento A y B en su genoma . [36]
Entre las 250 especies conocidas de aspergilli, alrededor del 36% tiene un estado sexual identificado [37] Entre las especies de Aspergillus que exhiben un ciclo sexual, la abrumadora mayoría en la naturaleza son homotálicas (autofecundantes). [37] La autofecundación en el hongo homotálico Aspergillus nidulans implica la activación de las mismas vías de apareamiento características del sexo en especies de exofecundación, es decir, la autofecundación no pasa por alto las vías requeridas para el sexo de exofecundación, sino que requiere la activación de estas vías dentro de un solo individuo. [38] La fusión de núcleos haploides ocurre dentro de estructuras reproductivas denominadas cleistotecios, en las que el cigoto diploide experimenta divisiones meióticas para producir ascosporas haploides.