miércoles, 13 de octubre de 2021

Introducción a la reproducción en hongos

 (Ciencias de Joseleg)(Biología)(Reproducción en los seres vivos)(Reproducción en microorganismos) (Introducción) (Generalidades) (Bacterias y arcaicas) (Introducción a la reproducción en hongos) (Quitridiomicetos) (Zigomicetos) (Ascomicetos) (Basidiomicetos) (Falsos hongos) (Protistas de vida libre) (Protistas parásitos) (Referencias bibliográficas)

 

A diferencia de las funciones de nutrición, respiración y excreción, donde los hongos se describen con mecanismos relativamente simples todos relacionados con el transporte de sustancias a través de membranas, su función de reproducción es altamente compleja, ya que involucra todo tipo de reproducción imaginable: asexual unicelular, asexual multicelular, sexual unicelular, asexual multicelular. De hecho, la reproducción en los hongos sirve como un buen modelo de comparación de otros tipos de eucariotes no fúngicos. Por tal razón analizaremos en detalle la reproducción en los hongos y luego en comparación revisaremos la reproducción de otros eucariotes. Se ha estimado que más de un tercio de las especies de hongos son capaces de reproducirse con más de un método de propagación, en diferentes etapas del ciclo de vida y con dependencia a la favorabilidad u hostilidad del medioambiente.

Conidios y conidióforos. (Izquierda) Los conidios se desarrollan a partir de las hifas normales o de hifas especializadas para producir los conidios, son producidas típicamente por los acomicota y algunos basidiomicotas. (Derecha) Conidióforo con conidios en verde, microfotografía al microscopio electrónico y coloreado digitalmente.

Figura 20.  Conidios y conidióforos. (Izquierda) Los conidios se desarrollan a partir de las hifas normales o de hifas especializadas para producir los conidios, son producidas típicamente por los acomicota y algunos basidiomicotas. (Derecha) Conidióforo con conidios en verde, microfotografía al microscopio electrónico y coloreado digitalmente.

La reproducción asexual de los hongos puede estar mediada por dos procesos, uno vegetativo y otro mediado por esporas. El proceso vegetativo involucra la reproducción simple de células, ya sea en colonias de individuos unicelulares como en las levaduras, o de hongos más complejos que forman hifas. Si sucede un fenómeno que traslade una parte de la colonia o un fragmento de una hifa de un lugar a otro, estas células son capaces de conformar una nueva colonia o un nuevo micelio.

Esto se debe a que los hongos poseen una estructura mucho más laxa que los animales y las plantas, separar un grupo de células de una colonia, o cortar una hifa de un micelio no afecta al resto de las células del hongo. En cualquiera de estos casos, la multiplicación celular se realiza por mitosis asexual, donde la tasa de variabilidad es relativamente baja.

A parte del transporte mecánico vegetativo, los hongos también poseen mecanismos especializados para propagar células de tipo asexual, las cuales a su vez pueden servir como estructuras de resistencia. Las esporangiosporas por ejemplo, se forman por el clivaje del protoplasma de un esporangio multinucleado, y formando racimos de células listas para su propagación. Son producidas típicamente por los linajes de quitridiomicotas, oomicotas y zigomicotas. 

. Cabe resaltar que a diferencia de los cuerpos fructificantes de los basidios y los ascos, los esporangios y los conidióforos son microscópicos. Sin embargo la estructura de conidióforos y esporangios permite la identificación rápida de los hongos en la micología clásica con un costo bajo en términos de equipo, aunque se requiere de un ojo bien entrenado y una clave “texto que permite identificar”.

Las esporangiosporas se forman usualmente al interior de un esporangioforo. Los esporangioforos son estructuras especializadas de las hifas donde se induce la formación de las esporas. Uno de los esporangios más conocidos es el del zigomicota llamado Mucor.

Esporangios y esporangiosporas. (A)  Estructura básica de un esporangio. (B)  Esporangioforos vistos al microscopio electrónico, no pueden ver más esporangiosporas debido a la membrana que cubre al esporangioforo.

Figura 21.  Esporangios y esporangiosporas. (A)  Estructura básica de un esporangio. (B)  Esporangioforos vistos al microscopio electrónico, no pueden ver más esporangiosporas debido a la membrana que cubre al esporangioforo.

Este esporangio se forma a partir de la punta de la hifa asemejándose a un globo que contienen las esporangiosporas. Dado que en los hongos existe el concepto de multi-nucleación, la punta de la hifa o esporangio es una sola célula con muchos núcleos, cuando se induce la formación de las esporas, esa gran célula experimenta clivajes, en la que el citoplasma no crece, pero si se divide para formar células cada vez más pequeñas. Posteriormente cuando cada uno de los núcleos ya cuenta con un citoplasma y membrana individualizados, una pared crece a su alrededor en el caso de los zigomicota, o se desarrollan flagelos motiles en el caso de los quitridiomicotas y oomicotas “que son falsos hongos”. Finalmente, las esporas son liberadas por una lisis controlada por parte de la pared general del esporangioforo.

¿Cuál es la diferencia entre una conodiospora y una esporangiospora? Su mecanismo de formación, o más precisamente, el lugar en donde se forman las esporas. En un esporangio, las esporas se forman al interior del esporangio, el cual posee una membrana que encierra a las esporas de forma general. En un conidio no existe dicha membrana, por lo que las membranas crecen expuesta al medio.  Dado que la formación de conidios se da sin la intervención de una membrana, su estructura ha sido estudiada en detalle por medio de miucroscopios ópticos. Algunos tipos de conodios son: conidio único; burbujas secuenciales; extrusión de fialides; y picnidios.

Conidio único. Se observa en especies como Thermomyces lanuginosus en donde la punta de la hifa crece y se septa “separa de la hifa por un tabique” una única vez.  A la izquierda el cultivo de T.lanuginosus en una caja de Petri vista desde arriba, a la derecha el conidio único, se diferencia de un esporangio al no presentar la columela.

Figura 22.  Conidio único. Se observa en especies como Thermomyces lanuginosus en donde la punta de la hifa crece y se septa “separa de la hifa por un tabique” una única vez.  A la izquierda el cultivo de T.lanuginosus en una caja de Petri vista desde arriba, a la derecha el conidio único, se diferencia de un esporangio al no presentar la columela.

Los conidios también pueden clasificarse por su tipo de desarrollo. Existen dos tipos de patrones de desarrollo básicos de un conidio, la gemación y la septación.

Burbujas secuenciales y extrusión de fialides. (A) En este caso la hifa genera estrangulaciones sucesivas, formando burbujas, que posteriormente se desarrollan hasta formar los conidiosporas. Este tipo de conidio puede encontrarse en Sclerotinia fructingena. (B)  Extrusión por fialides:  Una fialide es una célula semejante a un frasco, del cual emergen sucesivamente conidios en fila, lo cual forma una serie de esporas en fila. Este tipo de conidios es típico de mohos como Penicillium expansum. En algunos hongos, los conidios pueden formarse en estructuras aún más complejas como el sinema-coremium, el cual es una masa apretujada de conidioforos.

Figura 23. Burbujas secuenciales y extrusión de fialides. (A) En este caso la hifa genera estrangulaciones sucesivas, formando burbujas, que posteriormente se desarrollan hasta formar los conidiosporas. Este tipo de conidio puede encontrarse en Sclerotinia fructingena. (B)  Extrusión por fialides:  Una fialide es una célula semejante a un frasco, del cual emergen sucesivamente conidios en fila, lo cual forma una serie de esporas en fila. Este tipo de conidios es típico de mohos como Penicillium expansum. En algunos hongos, los conidios pueden formarse en estructuras aún más complejas como el sinema-coremium, el cual es una masa apretujada de conidioforos.

La formación basípeta de un conidio blastico o blastoconido se explica por medio de la mitosis asimétrica.  La división celular, específicamente una mitosis puede ser realizada de manera simétrica o asimétrica. Por lo general, en los esquemas de los libros de texto, y en lo que se observa en la microscopia lo que se tiene son divisiones simétricas, en la que las dos células hijas poseen las mismas propiedades entre sí, es decir son células hermanas con propiedades semejantes. En la mitosis simétrica, por el contrario, una de las células hijas posee propiedades diferentes a su célula hermana. Esta propiedad de mitosis asimétrica es vital para las células madre, ya que permite que una de las células hijas retenga las propiedades de ser célula madre como tener mayor tamaño del citoplasma, mientras que la otra puede comenzar a reproducirse rápidamente para formar un tejido especializado.

Picnidios y acervulos. Otra estructura compleja es picnidio que se asemeja a un frasco cóncavo de apertura amplia donde se concentran muchos conodioforos.  También existe una estructura opuesta, es decir de forma convexa donde la masa celular forma una especie de almuadilla en cuya punta crecen los conodioforos y se denomina acérvulo.

Figura 24.  Picnidios y acervulos. Otra estructura compleja es picnidio que se asemeja a un frasco cóncavo de apertura amplia donde se concentran muchos conodioforos.  También existe una estructura opuesta, es decir de forma convexa donde la masa celular forma una especie de almuadilla en cuya punta crecen los conodioforos y se denomina acérvulo.

Tipos de desarrollo de los conidios. De izquierda a derecha, modelo y mocrofotografía de los blastoconidios; modelo y microfotografía de los taloconidios.

Figura 25. Tipos de desarrollo de los conidios. De izquierda a derecha, modelo y mocrofotografía de los blastoconidios; modelo y microfotografía de los taloconidios.

En la gemación una célula madre realiza mitosis por gemación produciendo una célula higa que sigue pegada a la célula madre, a este tipo de formación se la denomina basipeta. En la fragmentación "formación acrópeta" una hifa multinucleada se cliva formando varias células individualizadas. Cuando los conidios se forman por gemación se denominan blastoconidios, y cuando se originan por la fragmentación de una hifa se llaman taloconidios.

La reproducción asexual de los hongos se caracteriza por una baja variabilidad de las estructuras reproductivas, es decir, las propiedades del hongo madre se transmiten a la de los hongos hijos sin que existan cambios sustanciales como los que se producen por medio de la recombinación genética. Esto es útil cuando el hongo se encuentra en un ambiente permisivo con múltiples recursos, ante los cuales el hongo ya está adaptado y calibrado para explotar con mayor eficiencia. En otras palabras, en un ambiente estable y cuando el hongo está en su pico de aptitud restringe sus mecanismos de variabilidad. Esto también implica que no genera estructuras de reproducción sexual, mientras que las condiciones del ambiente sean favorables.

August Weismann (1834, Fráncfort del Meno - 1914, Friburgo de Brisgovia) fue un biólogo alemán. Se formó en la Universidad de Gotinga y enseñó zoología en Friburgo (1866-1912). Ernst Mayr lo situó como el segundo más notable teórico evolucionista del s. XIX, detrás de Charles Darwin.

Figura 26. August Weismann (1834, Fráncfort del Meno - 1914, Friburgo de Brisgovia) fue un biólogo alemán. Se formó en la Universidad de Gotinga y enseñó zoología en Friburgo (1866-1912). Ernst Mayr lo situó como el segundo más notable teórico evolucionista del s. XIX, detrás de Charles Darwin.

Los hongos también revelan un proceso que se aproxima a la sexualidad, pero que no involucra la recombinación meiótica. La parasexualidad en los hongos se denomina heterocariosis, y como su nombre da a entender es un proceso en el cual se generan células higas con números variables de cromosomas. Dos hifas de individuos diferentes se unen mediante un proceso llamado anastomosis, lo cual genera un micelio con una cantidad duplicada de cromosomas. En este punto se genera una recombinación mitótica. Finalmente, dado que hablamos de un micelio multicariótico, la cantidad de cromosomas de la especie se restaura por división nuclear directa, en contraste con la meiosis que involucra la división celular.

Cuando estudias la meiosis y una serie de teorías con respecto a la reproducción sexual y su utilidad evolutiva, especialmente relacionadas con la hipótesis de Weismann y la hipótesis de la reina roja, te das cuenta de que falta un tipo de ser vivo que ejemplifique todo. Ese ser vivo son los hongos, pues ellos son capaces de reproducirse sexual y asexualmente dependiendo de las condiciones predichas en dichas teorías. Peor aún, debido a esa sincronización, es posible realizar un puente entre el gradualismo filetico y el equilibrio puntuado solo analizando los mecanismos reproductivos de los hongos.

Siendo menos teóricos y más concretos, los mecanismos de reproducción sexual de los hongos permiten algo más pragmático y es identificarlos.

Zigospora de los zigomicetos “, cuando la ves en un micelio puedes identificar a ese micelio como un zigomiceto.

Figura 27. Zigospora de los zigomicetos “, cuando la ves en un micelio puedes identificar a ese micelio como un zigomiceto.

Los ascomicetos pueden ser identificados por sus ascosporas.

Figura 28. Los ascomicetos pueden ser identificados por sus ascosporas.

Los basidios identificas a los basidiomicetos.

Figura 29. Los basidios identificas a los basidiomicetos.

Muchos de los hongos llamados superiores poseen una estructura vegetativa llamada micelio, compuesta a su vez por múltiples fibras llamadas hifas.

Los gametangios y las zoosporas identifican a los quitridiomicetos.

Figura 30. Los gametangios y las zoosporas identifican a los quitridiomicetos.

Las hifas pueden estar compuestas por múltiples células separadas entre sí por tabiques llamados septos, o ser una única masa con muchos núcleos agrupados en las puntas. En cualquier caso, la estructura de la hifa no sirve para hacer taxonomía, ya que dos hongos cercanamente emparentados genéticamente pueden tener hifas diferentes, mientras que dos hongos lejanamente emparentados pueden tener hifas semejantes. Puede darse el caso de que un hongo clasificado como superior no genere hifas, y viva en forma de colonias unicelulares. Es allí donde entra la espora sexual y su cuerpo fructificante en caso de generarlo, en otras palabras, los hongos se clasifican en sus grupos más generales “zigomicetos, ascomicetos y basidiomicetos”, de manera más general se puede decir que los hongos y otros eucariotas se identifican en base al modo en que tienen sus relaciones sexuales.

Los protistas multicelulares también se identifican de acuerdo al modo en que generan su espora sexual o generan su cuerpo fructificante como en los falsos hongos. 

Cigoto humano dicarionte, es decir, con dos núcleos haploides no fusionados.

Figura 31. Cigoto humano dicarionte, es decir, con dos núcleos haploides no fusionados.

En el ciclo de vida del ser humano tenemos que:

1- Los individuos adultos que se alimentan e inter-actúan con el ambiente están compuestos por células diploides. Cada uno en ciertas partes de sus cuerpos hacen la meiosis formando gametos sexuales haploides.

2- El acto sexual asocia a los gametos, los cuales pasan por varias etapas.

3- La plasmogoamia es la primera etapa de asociación de los gametos, en donde los citoplasmas de los dos gametos se fusionan.

4- Los humanos no poseen cariogamia, ya que en el cigoto los dos núcleos se disuelven, pero teóricamente otros seres vivos son capaces de fusionar sus núcleos para formar el núcleo diploide. En el cigoto humano los núcleos del espermatozoide y el óvulo retienen su identidad y son denominados pronucleos, es decir no es una célula diploide sino dicarionte, que el material genético no se fusiona sino hasta la etapa de dos células. 

Los hongos pueden mantener el dicarionte por más tiempo y en muchas más células.

Figura 32. Los hongos pueden mantener el dicarionte por más tiempo y en muchas más células.

En los hongos por el contrario la plasmogamia puede generar una célula dicariotica que puede reproducirse para formar un micelio dicariotico, y solo después de muchísimas generaciones experimentarse la cariogamia. La sucesión meiosis, fecundación, plasmogamia y cariogamia cambian mucho dependiendo del hongo que se esté analizando. 

En los hongos a veces trabajamos con tres generaciones celulares, la generación haploide (n) que comienza con la meiosis y termina con la plasmogamia; la generación dicarionte (n + n) en la que los dos núcleos permanecen individualizados en las hifas que va desde la plasmogamia y termina en la cariogamia; finalmente está la generación diploide (2n) en donde un núcleo contiene el doble de cromosomas y va desde la cariogamia y termina en la meiosis.  Los hongos pueden llegar a tener ciclos de vida muy complejos o epicíclicos, llegando a tener inclusive sistemas de más de dos sexos y más de dos generaciones. 

 

Cuando un par de hifas van a realizar el acto sexual de los hongos, es bueno saber que existen diferentes tipos. Un hongo homotálico puede tener sexo consigo mismo, es algo semejante a un hermafrodita al tener ambos sexos, pero a diferencia del hermafrodita, el hongo homotálico es autofertil. Un hongo heterotalico es aquel que posee sexos diferenciados. Pero a diferencia de los animales y las plantas, donde existe un sexo masculino “muchos gametos de baja calidad” y un sexo femenino “pocos gametos de mejor calidad”, en los hongos no puede realizarse esta diferenciación.

Ciclo de vida de los hongos con alternancia de tres generaciones.

Figura 33. Ciclo de vida de los hongos con alternancia de tres generaciones.

Y las cosas se pueden poner muy raras. Un caso normal es el de los hongos de compatibilidad bipolar en el cual existen dos tipos sexuales, que generalmente se denominan positivos y negativos en ausencia de poder designarlos como macho y hembra. Pero existen hongos de tipo basidio que pueden poseer una compatibilidad tetrapolar, es como si existieran cuatro sexos diferentes. En este caso la reproducción se logra si una hifa de un polo puede realizar el acto con la hifa de cualquier otro polo diferente a sí misma.

En la mayoría de los hongos los tipos reproductivos son controlados genéticamente, y eso se asocia a la producción de hormonas que permiten que los tipos reproductivos diferentes se atraigan y que los del mismo tipo se eviten. Algunos hongos como las levaduras del pan pueden presentar el mecanismo de cambio de tipo sexual, en el cual, un tipo sexual se cambia a otro por medio de la regulación genética.

Esto permite asegurarse de que la población pueda reproducirse en caso de que solo se encuentres células reproductoras de un solo tipo sexual. En palabras más simples, si en un grupo solo existen gametos de un tipo sexual, se transforman al otro, o sea cambian su sexo. Esto es un problema para un científico que desea llevar a cabo experimentos en estos hongos y requiere que no cambien el género. La solución ha sido el aislamiento de mutantes incapaces de realizar la transferencia de tipo sexual.

La estructura sexual de un hongo solo se produce cuando el ambiente se hace hostil, por ejemplo, cuando los nutrientes se han consumido y en el ambiente solo quedan las toxinas o desechos metabólicos.

Los hongos cambian su estrategia reproductiva según el ambiente, especialmente la disponibilidad de alimento.

Figura 34. Los hongos cambian su estrategia reproductiva según el ambiente, especialmente la disponibilidad de alimento.

Adicionalmente a esto, la espora sexual es una estructura de resistencia, esto implica que es capaz de esperar hasta que las condiciones ambientales se tornen favorables. Algunas esporas sexuales están asociadas a cuerpos fructificantes, que permiten diseminaciones a largas distancias. Esto se asocia al hecho de que las esporas sexuales se producen por la meiosis, lo cual implica que su contenido genético es diferente del de sus progenitores, al haber realizado el proceso de recombinación genética.

El hongo se expande asexualmente sobre el alimento, mientras que las regiones viejas de la colonia que ya no tienen acceso a fuentes de alimento inician la reproducción sexual.

Figura 35. El hongo se expande asexualmente sobre el alimento, mientras que las regiones viejas de la colonia que ya no tienen acceso a fuentes de alimento inician la reproducción sexual.

El modo en que crece una colonia de hongos ejemplifica el proceso. Mientras tienen muchos recursos los hongos generan estructuras asexuales microscópicas indiferenciables del micelio macroscópicamente, pero cuando el ambiente se torna problemático como por falta de recursos, se generan las estructuras sexuales, como en las zonas más viejas de la colonia en el centro.  Esta variabilidad le permite al hongo adaptarse más raído a un ambiente desconocido, y una vez adaptado empieza a reproducirse asexualmente. 

Weismann alguna vez se preguntó sobre el costo evolutivo de tener dos sexos, le hubiera dado una aneurisma al saber que algunos hongos pueden tener cuatro. ¿Cuál es su utilidad? En términos cuantitativos la reproducción asexual es más eficiente, pero en términos cualitativos, el sexo incrementa la diversidad al adicionar un mecanismo de mutagénesis, y es la recombinación durante la primera fase de la meiosis.

Esto va relacionado con la hipótesis de la reina roja, la cual establece que los seres vivos deben mutar para poder adaptarse a un ambiente cambiante y permanecer en su misma posición o nicho ecológico.  En un ambiente cambiante los sistemas cambian y cambian solo para mantenerse vivos, es lo mismo para las empresas y para los seres vivos. Los hongos poseen cambios, cuando el ambiente no cambia ellos desaceleran, y cuando el ambiente es hostil aceleran.  Los hongos restringen la reproducción sexual cuando el ambiente es permisivo y no requieren mutar para sobrevivir, pero emplean la reproducción sexual cuando deben colonizar ambientes a los cuales tal vez no estén adaptados. 

El gradualismo filetico establece que las mutaciones radicales son demasiado peligrosas para los organismos, por lo que es más probable que estos evolucionen de forma extremadamente continua y gradual, los cambios fisiológicos son muy lentos, más aún cuando la especie se aproxima al optimo teórico. El equilibrio puntuado hace referencia a que estos eventos de gradualismo se ven interrumpidos por eventos en los que la variabilidad se acelera, las especies evolucionan a mayor velocidad, esto generalmente asociado a cambios en el ambiente.

Cuando el ambiente es permisivo, los hongos evolucionan en base a la teoría del gradualismo filético, incluso hasta restringir los mecanismos mutagénicos más radicales como la recombinación meiótica al no permitirla “no realizar el acto sexual”. Cuando el ambiente se hace hostil, los hongos evolucionan de forma puntual, permitiendo la meiosis y por lo tanto elevando sus tasas de mutaciones genéticas, lo cual incrementa la variabilidad y la adaptabilidad de sus desdientes. Lo anterior acelera la tasa de evolución de la especie.

 

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