Ejercicio resuelto de Biología · 2022

En el verano de 2021 se detectó por primera vez en Cataluña el insecto Diabrotica virgifera, causante de una de las plagas que ocasionan más daños en los cultivos de maíz (Zea mays). Las hembras ponen los huevos cerca de las raíces de las plantas. En primavera nacen las larvas, que se alimentan de las raíces. Como consecuencia, las plantas afectadas tienen un crecimiento menor y producen menos grano.
Un método que se investiga para luchar contra esta plaga consiste en el uso de nematodos de la especie Heterorhabditis bacteriophora, unos gusanos que viven en el suelo. Cuando un nematodo encuentra una larva, penetra en su interior a través de la boca o del ano.

Fuente: Imagen modificada a partir de C. J. HARTLEY, P. E. LILLIS, R. A. OWENS y C. T. GRIFFIN. «Infective juveniles of entomopathogenic nematodes (Steinernema and Heterorhabditis) secrete ascarosides and respond to interspecific dispersal signals». Journal of Invertebrate Pathology, 168 (2019).
Una vez dentro de la larva, el nematodo regurgita las bacterias que lleva en el intestino. Estas bacterias, de la especie Photorhabdus luminiscens, producen toxinas que matan la larva. La larva muerta es el alimento de los nematodos y las bacterias, y el lugar donde se reproducen. Cuando se acaba el alimento, los nematodos buscan otra larva. Las bacterias que no consiguen instalarse dentro de un nematodo no son capaces de infectar otras larvas, y los nematodos, sin estas bacterias, no pueden matar las larvas de insecto.

1. ¿Qué relación ecológica se establece entre los insectos y el maíz? ¿Y entre los nematodos y las bacterias? Justifique las respuestas. [1 punto]

Relación ecológica entre los insectos y el maíz: — Justificación: Relación ecológica entre los nematodos y las bacterias: — Justificación:

2. Algunas plantas, cuando son infestadas por larvas del insecto Diabrotica virgifera, producen betacariofileno, una sustancia que atrae nematodos del suelo que eliminan las larvas del insecto. La mayor parte del maíz cultivado actualmente en los Estados Unidos es de variedades muy productivas pero que no tienen la capacidad de sintetizar el betacariofileno. Investigadores de la Universidad de Neuchâtel (Suiza) han conseguido modificar genéticamente plantas de maíz, a las cuales han introducido el gen procedente del orégano (Origanum vulgare) que codifica el enzima que sintetiza el betacariofileno. [1 punto]
a) Explique por qué esta modificación genética puede contribuir a controlar la plaga causada por el insecto Diabrotica virgifera.
b) Observe la figura siguiente, en que se representa una parte del proceso que se ha seguido para obtener el maíz modificado genéticamente, y responda a las cuestiones que hay a continuación.

Fuente: Imagen elaborada a partir de https://image.freepik.com y https://st4.depositphotos.com.

Explique qué pasos hicieron los investigadores para obtener el plásmido recombinante de la figura anterior y qué enzimas necesitaron en cada paso. ¿En qué células hay que introducir el plásmido recombinante para obtener una planta transgénica? ¿Por qué?

$\mathbf{\text{1.}}\mathbf{\text{¿Qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{relaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{ecol}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{gica}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{establece}}\mathbf{\text{entre}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{insectos}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{ma}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{z?}}\mathbf{\text{¿Y}}\mathbf{\text{entre}}\mathbf{\text{los}}\mathbf{\text{nematodos}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{bacterias?}}\mathbf{\text{Justifique}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{respuestas.}}\mathbf{\text{(1}}\mathbf{\text{punto)}}$

Pareja	Relación ecológica	Justificación Insectos y maíz	Depredación, en su modalidad de herbivoría	Las larvas de Diabrotica virgifera se alimentan de las raíces del maíz: obtienen alimento y por tanto se benefician, mientras que la planta resulta perjudicada, crece menos y produce menos grano. La relación es de signo $(+,-)$. Se clasifica como depredación porque un organismo consume a otro, aunque conviene señalar que, al vivir la larva a costa de la planta durante un tiempo sin llegar a matarla, algunos autores prefieren hablar de parasitismo; lo que en ningún caso cambia es el signo de la relación. Nematodos y bacterias	Mutualismo, y además obligado	Los dos salen beneficiados, $(+,+)$, y el propio texto lo dice con toda claridad al describir qué ocurre cuando se separan. El nematodo transporta a las bacterias en su intestino, las protege y las introduce dentro de la larva, que es un lugar al que ellas solas no pueden llegar; las bacterias, a cambio, matan a la larva con sus toxinas y la convierten en alimento y en lugar de reproducción para ambos. Que las bacterias que no consiguen instalarse en un nematodo no puedan infectar larvas, y que los nematodos sin ellas no puedan matarlas, significa que ninguno de los dos sobrevive por su cuenta: eso es lo que convierte el mutualismo en obligado, es decir, en una simbiosis.

$\mathbf{\text{2.}}\mathbf{\text{Investigadores}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{Universidad}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{Neuch}}\widehat{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{tel}}\mathbf{\text{han}}\mathbf{\text{conseguido}}\mathbf{\text{modificar}}\mathbf{\text{gen}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{ticamente}}\mathbf{\text{plantas}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{ma}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{z,}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{cuales}}\mathbf{\text{han}}\mathbf{\text{introducido}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{gen}}\mathbf{\text{procedente}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{or}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{gano}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{codifica}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{enzima}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{sintetiza}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{betacariofileno.}}\mathbf{\text{(1}}\mathbf{\text{punto)}}$

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{Explique}}\mathbf{\text{por}}\mathbf{\text{qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{esta}}\mathbf{\text{modificaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{gen}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{tica}}\mathbf{\text{puede}}\mathbf{\text{contribuir}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{controlar}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{plaga}}\mathbf{\text{causada}}\mathbf{\text{por}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{insecto}}\mathbf{\text{Diabrotica}}\mathbf{\text{virgifera.}}$

Porque devuelve al maíz una defensa que la selección artificial le había hecho perder.

Al seleccionar durante décadas las variedades por su rendimiento, se fijaron genotipos muy productivos que, sin que nadie lo pretendiera, habían perdido la capacidad de sintetizar betacariofileno. Introduciendo el gen del orégano que codifica el enzima responsable, la planta transgénica vuelve a producir esa sustancia cuando las larvas atacan sus raíces.

El mecanismo por el que eso controla la plaga es indirecto y ahí está su interés. El betacariofileno no mata a la larva ni la repele: es una señal química que se difunde por el suelo y que atrae a los nematodos entomopatógenos que ya viven allí. Los nematodos acuden, penetran en las larvas y, con las bacterias que llevan, las matan. La planta, en definitiva, no se defiende por sí misma: avisa a los enemigos naturales de su enemigo, y son ellos los que hacen el trabajo.

Es, por tanto, una forma de control biológico con ventajas claras sobre un insecticida: es específico, porque solo actúa sobre las larvas del insecto y no sobre el resto de la fauna del suelo; no deja residuos en el grano ni en el terreno; y no hace falta aplicarlo, porque la propia planta lo produce solo cuando lo necesita.

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{Observe}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{figura}}\mathbf{\text{siguiente}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{responda}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{cuestiones}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{hay}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{continuaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n.}}$

Cuestión	Respuesta Explique qué pasos hicieron los investigadores para obtener el plásmido recombinante de la figura anterior y qué enzimas necesitaron en cada paso.	Primero aislaron del genoma del orégano el gen que codifica el enzima que sintetiza el betacariofileno y lo recortaron con un enzima de restricción, una endonucleasa que reconoce una secuencia diana corta y palindrómica y corta el DNA siempre por el mismo punto, dejando extremos cohesivos monocatenarios. En paralelo extrajeron el plásmido de la bacteria, una molécula de DNA circular independiente del cromosoma bacteriano, y lo abrieron con el mismo enzima de restricción; usar el mismo es lo que garantiza que los extremos del plásmido y los del gen sean complementarios entre sí, tal como muestra la figura, en la que el plásmido aparece cortado. Por último mezclaron los dos fragmentos: los extremos cohesivos se aparearon espontáneamente por complementariedad de bases y una DNA-ligasa selló los enlaces fosfodiéster que faltaban en las dos cadenas, cerrando de nuevo el círculo y dejando el gen del orégano integrado en él. Los enzimas necesarios son, pues, un enzima de restricción en los dos primeros pasos y una DNA-ligasa en el tercero; si el gen se hubiera obtenido a partir del mRNA en lugar del DNA, haría falta además una retrotranscriptasa para fabricar el DNA complementario. ¿En qué células hay que introducir el plásmido recombinante para obtener una planta transgénica? ¿Por qué?	En células vegetales indiferenciadas mantenidas en cultivo, es decir, células meristemáticas o células de un callo, que es lo que representa la placa de cultivo de la figura. La razón es que han de ser totipotentes: solo una célula totipotente puede regenerar por sí sola una planta completa, con raíz, tallo, hojas y flores. Al partir de una única célula transformada, todas las células de la planta que se obtenga llevarán el gen introducido, incluidas las que darán los gametos, de modo que el carácter se transmitirá a la descendencia y podrá cultivarse la variedad. Si el plásmido se introdujera en una célula ya diferenciada de una hoja adulta, el gen se quedaría en esa célula y en sus descendientes inmediatos, y nunca se obtendría una planta transgénica.