AREA: GENÉTICA Y BIOLOGÍA

Endocria y coancestria en poblaciones naturales de Anadenanthera colubrina var. cebil

Inbreeding and coancestry in natural populations of Anadenanthera colubrina var. cebil

 

Tamara M. Mazo¹, Maria E. Barrandeguy^{1, 2,3}, Maria V. Garcia^{1, 2, 3,*}

¹ Facultad de Ciencias Exactas, Quimicas y Naturales, Universidad Nacional de Misiones.
² Instituto de Biologia Subtropical, Universidad Nacional de Misiones - CONICET.
³ Consejo Nacional de Investigaciones Cientificas y Tecnicas - CONICET
* E-mail: vgarcia@fceqyn.unam.edu.ar

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Resumen

La endocria y la coancestria aumentan la homocigosis generando genotipos autocigotas sin afectar a las frecuencias alelicas. Puede considerarse que una muestra de loci selectivamente neutros permite hacer inferencias acerca del coeficiente de endocria de una poblacion porque sus efectos son expresados en todos los loci de cada individuo. Esto permite estudiar la posible presencia de depresion por endocria y su efecto sobre los valores fenotipicos de los caracteres poligenicos inferida desde loci neutrales a traves de la media de un caracter cuantitativo en k subpoblaciones y las estimas del indice de fijacion FITk. Se analizaron individuos adultos de Anadenanthera colubrina var. cebil. Se pudo concluir que los caracteres poligenicos analizados no presentaron reduccion de sus valores fenotipicos medios indicando ausencia de depresion por endocria, las poblaciones presentaron niveles bajos de coancestria y tamanos efectivos elevados en tanto que no se detecto aumento de homocigosis en los caracteres poligenicos analizados.

Palabras clave: Endocria; Coancestria; Tamaño efectivo; Poblaciones naturales; Anadenanthera colubrina var. cebil.

Abstract

Inbreeding and coancestry increase homozygosis and create autozygous genotypes but they do not modify allelic frequencies. Inbreeding coefficient could be estimated by neutral loci because its effects are expressed by all loci in each individual. Putative presence of inbreeding and its effect on phenotypic values of polygenic traits could be studied from neutral loci and the mean of quantitative trait in k subpopulations together to fixation index FITk. Adult individuals of Anadenanthera colubrina var. cebil were analyzed. The conclusions of this study arethat polygenic traits did not show mean reduction in phenotypic values which indicate that there was no inbreeding depression, populations showed low levels of coancestry and high effective sizes.

Keywords: Inbreeding; Coancestry; Effective size; Natural populations; Anadenanthera colubrina var. cebil.

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Introduccion

La endocría y la coancestría, junto con la depresión por endocría, son temas centrales de discusión al momento de tomar decisiones tendientes a la conservación de las poblaciones naturales tanto de plantas como de animales, especialmente cuando el tamaño de las poblaciones se ve reducido debido a la fragmentación del hábitat ^[1]. A medida que las poblaciones reducen su tamaño efectivo y quedan aisladas tienden a perder diversidad genética debido a la acción de la deriva genética y de la endocría ^[2]. Esta última es resultado del apareamiento entre individuos emparentados, incluso si el apareamiento es al azar dentro de subpoblaciones ^[3], llevando a un aumento de la homocigosis mediante la aparición de genotipos autocigotas pero sin afectar a las frecuencias alélicas. La depresión por endocría surge como un fenómeno dentro de las poblaciones cuando al incrementarse el nivel de homocigosis, disminuye el valor fenotípico medio ^[4]. Es ampliamente aceptado que la depresión por endocría es una consecuencia inevitable del componente de dominancia de la varianza genotípica. Cuando la acción génica es puramente aditiva, el valor fenotípico promedio asociado con los alelos es independiente del complemento alélico. Así, la depresión por endocría no ocurre en caracteres que presenten una base genética puramente aditiva. Sin embargo, en caracteres que presenten una base genética con dominancia el valor fenotípico medio varía con el cambio en las frecuencias genotípicas debido a que la expresión alélica es una función del complemento alélico ^[4].
Aunque la depresión por endocría ha sido un tema central de las investigaciones biológicas por más de un siglo, poco se sabe de las bases moleculares subyacentes a este proceso. Dado que muchos caracteres de importancia ecológica son poligénicos puede esperarse que una gran proporción del genoma esté involucrada en la depresión por endocría ^[2]. Diversos autores argumentan que la depresión por endocría puede resultar de la suma del efecto pequeño de un gran número de genes mientras que otros sostienen que unos pocos genes de efecto mayor conducen a una severa depresión por endocría ^[3].
En plantas, el coeficiente de endocría es estimado, generalmente, utilizando poblaciones o progenies experimentales con niveles de endocría conocidos. En la mayoría de los casos se asume que las poblaciones con apareamiento completamente al azar presentan un coeficiente de endocría de cero (F = 0) y son comparadas con progenies obtenidas por autofecundación (F = 0,5) desde la población de referencia ^[1]. Otra posibilidad es el análisis de múltiples generaciones usando el coeficiente de regresión de la media fenotípica del carácter sobre el coeficiente de endocría de cada generación ^[4]. Chaves et al. ^[1], basándose en la hipótesis que una muestra de loci neutrales permite hacer inferencias acerca del coeficiente de endocría de una población, y teniendo en cuenta que los efectos de la endocría son expresados en todos los loci de cada planta, analizaron 112 progenies maternas de 10 subpoblaciones naturales de Eugenia dysenterica DC en condiciones controladas. En el presente trabajo se ensayó la utilidad de este método para estudiar la posible presencia de depresión por endocría y su consecuente efecto sobre los valores fenotípicos de los caracteres poligénicos en individuos adultos de poblaciones naturales de Anadenanthera colubrina (Vell.) Brenan var. cebil (Griseb) Altschul ^[5]. Las poblaciones naturales de A. colubrina var. cebil pueden ser consideradas como modelo biológico para el estudio de los efectos del aumento de la homocigosis en las poblaciones naturales debido a los cambios en la distribución de esta especie resultantes de la fragmentación de una distribución histórica más extensa que condujeron a la reducción del tamaño poblacional y al incremento del aislamiento espacial de las poblaciones remanentes ^[6]. Además, esta especie es alógama y la floración ocurre al final de la época seca e inicio de la húmeda; la polinización es entomófila y la diseminación de semillas es por autocoria-anemocoria.
A. colubrina var. cebil presenta una distribución disyunta a lo largo de los Bosques Secos Estacionales Neotropicales (Seasonally Dry Tropical Forests - SDTFs) ^[7]. Pueden identificarse tres núcleos en la distribución de esta especie, dos de los cuales se localizan en Argentina: el núcleo Misiones que incluye a la provincia biogeográfica Paranaense y el núcleo Pedemonte Subandino, que incluye a las Yungas y en el cual A. colubrina var cebil es una especie frecuente ^[7]. Estas provincias fitogeográficas aún mantienen altos niveles de biodiversidad aunque diferentes condiciones de temperatura, altitud, suelos y precipitaciones han llevado a un patrón no uniforme en la distribución de la misma ^[8]. Además, las actividades humanas han provocado un gran impacto en estas áreas debido a una reciente deforestación como consecuencia del avance de la frontera agropecuaria ^[8].
Los antecedentes descriptos anteriormente permiten postular como hipótesis de trabajo que los individuos de las poblaciones remanentes de A. colubrina var. cebil presentan aumento de homocigosis en los caracteres poligénicos analizados como consecuencia de endocría, siendo los objetivos planteados para testar esta hipótesis: I. Determinar el aumento de la homocigosis por endocría en los caracteres poligénicos mediante el empleo de loci neutrales de herencia biparental; II. Cuantificar posibles efectos de depresión por endocría en los valores fenotípicos de los caracteres poligénicos analizados y III. Estimar el coeficiente de coancestría y el tamaño efectivo poblacional.

Materiales y Metodos

Se colectaron hojas y frutos desde ramas ubicadas en la mitad de la copa de cada individuo durante la época de fructificación. Se analizaron 69 individuos adultos de A. colubrina var. cebil localizados en dos provincias fitogeográficas: Paranaense y Yungas. En la provincia fitogeográfica Paranaense el área de estudio se delimitó en el S de la provincia de Misiones, localizándose en el departamento de Candelaria y comprendió a las localidades de Santa Ana (27° 25' 55,92" S 55° 34' 16,68" W, altitud 153 msnm) y Candelaria (27° 26' 58,2" S 55° 44' 20,22" W, altitud 104 msnm). Por su parte, en la provincia fitogeográfica de las Yungas el área de estudio se delimitó en las provincias de Tucumán y de Jujuy comprendiendo a dos localidades una localizada en el área del cerro San Javier (26° 47' 26,10" S 65° 18' 58,14" W, altitud 610 msnm) y la otra en el Parque Nacional Calilegua (23° 45' 15,012" S 64° 51' 12,996" W, altitud 950 msnm), respectivamente.
Se analizaron de 8 a 20 individuos adultos en cada localidad agrupándolos en subpoblaciones. Se consideró una separación mínima entre individuos de 3 m. de radio. Los individuos fueron geo-referenciados mediante el sistema de posicionamiento global (GPS). Sobre tres a cinco hojas herborizadas, se midieron los caracteres vegetativos (veg): Largo y Ancho de lámina (LL y AL, respectivamente) y la relación Largo de Lámina/ Ancho de Lámina (LL/AL). Además, se midieron los caracteres reproductivos (rep): Longitud y Ancho de Vaina (LV y AV, respectivamente) sobre cinco a ocho frutos y Número de semilla por fruto (NSF) y Longitud y Latitud de semillas (LS y LtS, respectivamente) en todas las semillas de los frutos analizados. Dichas mediciones se registraron en centímetros (cm). Además, se consideraron 8 loci microsatélites nucleares específicos para A. colubrina var. cebil: Ac34.3, Ac48.1, Ac11.2, Ac28.3, Ac157.3, Ac41.1, Ac172.1 y Ac162.1 ^[9].
Para el alcance de los objetivos se aplicó el método propuesto por Chaves et al.^[1]. Así, los efectos de la endocría en los caracteres poligénicos, bajo el supuesto de que la endocría afecta a todos los loci por igual, se infirió desde loci neutrales a través de la media de un carácter cuantitativo, medida en un conjunto de k subpoblaciones (M0k), y las estimas del índice de fijación FITk mediante la ecuación

la cual es usada como un modelo de regresión lineal para estimar la depresión por endocría (ID) de cada carácter y la media esperada del carácter poligénico (MP) en la población panmíctica de referencia:

Este modelo asume que los efectos epistáticos son insignificantes, llevando a una respuesta lineal del carácter poligénico a la endocría y las estimas FITk realizadas sobre marcadores neutrales codominantes representan el promedio del coeficiente de endocría en las k subpoblaciones. Desde (1), MP puede ser estimado por el intercepto de la línea de regresión mientras que la depresión por endocría (ID) es definida por el coeficiente de regresión o pendiente (ß). Las desviaciones desde la regresión (εk), junto con Δk, incluyen las diferencias entre las subpoblaciones debidas a la selección natural, errores asociados con las estimas de M0k y de FITk y otras variaciones no explicadas por la regresión lineal. Finalmente, la depresión por endocría se cuantificó a partir del porcentaje de la media esperada de la población de referencia como

A partir de las variables cuantitativas se estimaron los valores parciales necesarios para la aplicación de este método realizando un análisis de varianza (ANOVA) de una vía para estimar la variación intrapoblacional de cada carácter analizado para, de esta manera, obtener la Suma de Cuadrados (SC) dentro de cada subpoblación. Además, se estimó el índice de fijación total (FIT) de cada subpoblación en relación al conjunto de individuos, mediante la siguiente ecuación

donde HOK es la heterocigosis observada promedio de la subpoblación y HE es la heterocigosis esperada global [1]. Ambas heterocigosis fueron estimadas usando el programa GenAlEx versión 6.5 (disponible en http://biology.anu. edu.au/GenAlEx/Welcome.html) en tanto que el índice se calculó de manera manual. En el análisis de regresión realizado para cada carácter el índice FITk y la SC de cada carácter dentro de cada subpoblación definieron la variable independiente x y la variable dependiente y, respectivamente. Este análisis se realizó aplicando el programa GenAlEx versión 6.5. Se testó la significancia estadística de la pendiente ß mediante la implementación de una prueba de Hipótesis T [10] cuya hipótesis nula fue:

donde toma el valor de cero el cual representa una pendiente nula. El test estadístico T empleado se define mediante la siguiente ecuación:

donde

Este test estadístico presenta una distribución t con n- 2 grados de libertad cuando se cumple Ho. SY/X es el desvío estándar de la muestra calculado como la raíz cuadrada de la varianza S2 Y/X la cual se estimó a partir de la siguiente ecuación:

donde Yi es la SC dentro de cada subpoblación y el valor estimado de ŷi= ß0+ ßXi, donde es el intercepto (Mp) u ordenada al origen de la regresión y Xi es el valor de FITk. En tanto que Sx representa el desvío estándar de los valores de X el cual fue calculado mediante la siguiente ecuación:

donde es el promedio de los valores de FITk obtenidos para cada subpoblación. Mediante la presente prueba de hipótesis puede ser rechazada para un nivel de confianza del 95% cuando |T|>tn-2,1-α/2, donde tn-2,1- denota el punto de la distribución t para el 95% de confianza con n - 2 grados de libertad. El coeficiente de coancestría de las poblaciones (Θ) corresponde a la correlación entre los estados alélicos de dos individuos tomados al azar de la misma población y fue estimado mediante el promedio del coeficiente de coancestría calculado entre todos los pares de individuos empleando la siguiente ecuación:

donde n es el número de individuos muestreados en cada población, FIS es el coeficiente de endocría de cada población y θXY es el coeficiente de coancestria entre los individuos x e y ^[11]. El coeficiente de endocría FIS se estimó aplicando un Análisis de la Varianza Molecular (AMOVA) de cuatro niveles jerárquicos (Entre regiones, entre poblaciones dentro de regiones, entre individuos dentro de poblaciones y dentro de individuos). Para datos codominantes, el estimador de Fij enunciado por Loiselle et al. ^[12] es el más apropiado para el cálculo de θXY ^[13]. El estimador Fij se basa en la probabilidad de que un alelo i tomado al azar sea idéntico al alelo j también tomado al azar y queda definido como Fij = (Qij− Q)/(1 − Q) ^[13]. Para la estimación de este coeficiente se empleó el programa SPAGEDI 1.4 (disponible en http://ebe.ulb.ac.be/ebe/SPAGeDi.html). El tamaño efectivo (Ne) de las poblaciones puede ser definido como el número de genotipos no endocriados y no relacionados los cuales producen descendientes con el mismo coeficiente de endocría medio que los genotipos de la progenie de la población panmíctica ^[14]. Se estimó Ne a partir de la ecuación descripta en el trabajo de Sebbenn et al. ^[15]

Resultados y Discusion

Para determinar posibles efectos de la endocría en los valores medios de los caracteres poligénicos analizados se realizaron sendos análisis de regresión. Las regresiones fueron estimadas a partir de los índices de fijación total (variable independiente x) y la suma de cuadrados (SC) dentro de cada subpoblación (variable dependiente y) calculados (Tabla 1).

Tabla 1: Valores medios error estandar, suma de cuadrados (SC) e Indice de Fijacion total () para cada carácter

LL: Largo de Lamina, AL: Ancho de Lamina, LL/AL: relacion Largo de Lamina/Ancho de Lamina, LV: Longitud de Vaina, AV: Ancho de Vaina, LS: Longitud de semillas, LtS: Latitud de semillas NSF: Numero de semillas por fruto.

Los valores del estadístico T empleado para el cálculo de la significancia estadística de los coeficientes de regresión para cada carácter analizado se presentan en la Tabla 2. La totalidad de los caracteres poligénicos analizados no presentaron coeficientes de regresión estadísticamente significativos (|Tveg|<t6, 0,95=1,943 y (|Trep|<t5, 0,95= 2,015) con lo cual puede afirmarse que los valores medios de los caracteres cuantitativos no presentan efectos de endocría. Sin embargo, se debe considerar que como consecuencia de la acción de la selección natural, la cual suele manifestarse en los primeros estadios ontogénicos, en generaciones adultas como las analizadas en este trabajo podrían estar sobrerrepresentados aquellos genotipos heterocigotas y por lo tanto, detectarse niveles de endocría más bajos que los esperados ^[1].

Tabla 2: Valor medio para cada caracter, componentes de la recta de regresion y estimacion porcentual de la depresion por endocria

LL: Largo de Lamina, AL: Ancho de Lamina, LL/AL: relacion Largo de Lamina/Ancho de Lamina, LV: Longitud de Vaina, AV: Ancho de Vaina, LS: Longitud de semillas, LtS: Latitud de semillas NSF: Numero de semillas por fruto ns: no significativo estadisticamente (T ≥ 1,943 caracteres vegetativos y T ≥ 2,015 caracteres reproductivos)

En el presente trabajo seis de los ocho caracteres analizados mostraron marcadas diferencias entre los valores medios de MP y la media del carácter (Tabla 2) a pesar de esperarse valores similares entre MP y la media del carácter en casos de ausencia de endocría ^[1]. Debe considerarse que cuando el método de regresión es utilizado en caracteres morfológicos los cuales son analizados en plantas adultas en el campo, la variación fenotípica entre subpoblaciones incluye un componente ambiental el cual podría tender a reducir la porción de esta varianza explicada por la regresión lineal ^[1]. El índice FIS presentó un valor promedio de 0,032 (Tabla 3).

Tabla 3: Indice de fijacion (FIS), coeficiente de coancestria (Θ) y tamano efectivo poblacional (Ne) basados en marcadores microsatelites.

Asumiendo apareamiento aleatorio, este valor indica una tasa esperada de endocría biparental baja (entre 3-4%). A partir de los coeficientes de coancestría estimados fue posible calcular el tamaño efectivo de las poblaciones (Tabla 3). El tamaño efectivo promedio representó el 90% del tamaño de las poblaciones analizadas, indicando que la mayoría de los individuos no están genéticamente relacionados y no están endocriados (Tabla 3).
La fragmentación de los bosques expone a las poblaciones de árboles a los efectos de la reducción del flujo génico ^[6] generando que en poblaciones pequeñas se espere un aumento de la coancestría, una reducción del tamaño efectivo poblacional y pérdida de la diversidad genética ^[15]. Los valores estimados del coeficiente de coancestría poblacional indicarían una tasa esperada de endocría biparental reducida. El tamaño efectivo de cada una de las poblaciones estimado a partir de este coeficiente fue elevado representando, en promedio, 90% del tamaño muestral de las poblaciones estudiadas, indicando que la mayoría de los individuos no están genéticamente relacionados y no están endocriados. Debido a que el coeficiente de coancestría promedio mide el grado de relación por descendencia de los individuos de cada población y que el grado de relación entre estos individuos determinará el coeficiente de endocría de la generación siguiente, es posible emplear las estimaciones del coeficiente de coancestría poblacional como una predicción del grado de endocría futuro en estas poblaciones. Siendo que estas poblaciones presentaron niveles bajos de coancestría se esperan descendencias con un reducido grado de endocría, en tanto y en cuanto, el tamaño de estas poblaciones se mantenga constante. Estas observaciones adquieren relevancia desde el punto de vista de la conservación e indican que la reducción en el número de individuos no modificó las frecuencias genotípicas.

Conclusiones

Las poblaciones no presentan efectos de endocría para los caracteres poligénicos analizados ya que no evidenciaron reducción de sus valores fenotípicos medios. En concordancia con ello, las poblaciones presentaron niveles bajos de coancestría y tamaño efectivo elevado lo cual permite afirmar que las mismas mantienen variabilidad genética para ser consideradas como posibles fuentes de germoplasma adaptado.

Agradecimientos

Este trabajo fue parcialmente financiado mediante el subsidio PIP- IU 2010-2012 N° 114-200901-00110 del Concejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) y mediante el subsidio PICT 2011 N° 1795 del Fondo para la Investigación Científica y Tecnológica (FONCyT) otorgados a M. V. García.

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Recibido: 11/02/2014
Aprobado: 22/05/2014