Análisis de la estructura poblacional

 

Remis, María Isabel

Departamento de Ecología, Genética y Evolución. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. C1428EHA Buenos Aires, Argentina mariar@ege. ficen. uba. ar

 

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RESUMEN

El estudio de la estructura poblacional analiza la distribución de la variabilidad dentro y entre poblaciones naturales y examina los procesos involucrados en su mantenimiento. En el laboratorio de Genética de la Estructura Poblacional, del Departamento de Ecología Genética y Evolución (F. C. E. yN., UBA) se realizan estudios de variabilidad intra e interpoblacional empleando marcadores cromosómicos, moleculares y morfométricos en organismos de interés agronómico, evolutivo o en biología de la conservación utilizando como modelos biológicos especies de ortópteros y vertebrados marinos. Los estudios citogenéticos en ortópteros permitieron esclarecer los mecanismos de coevolución entre elementos genómicos dispensables (cromosomas B) y el genoma del hospedador (cromosomas A) y brindaron la oportunidad de analizar la variabilidad relacionada con los rearreglos cromosómicos (fusiones céntricas; inversiones pericéntricas) que modifican los grupos de ligamiento y probablemente la expresión génica. Los análisis de la variación morfométrica en relación a variables climáticas y ambientales infrieron acerca de importantes aspectos de la evolución fenotípica. Los análisis citogenéticos y morfométricos simultáneos analizaron los efectos del cariotipo y fenotipo sobre componentes de la eficacia biológica brindando evidencias directas del significado adaptativo de los polimorfismos cromosómicos. Los estudios empleando marcadores moleculares (RFLP, DAMD, RAPD) analizaron la estructura poblacional estimando el flujo génico entre poblaciones. Los estudios morfométricos y moleculares (secuencias de ADN, microsatélites) en vertebrados marinos identificaron grupos genéticamente diferenciados que son los que se desea preservar. Los estudios realizados brindaron información en la interpretación de las estrategias adaptativas de insectos plagas o implementación de unidades de manejo en planes de bioconservación.

Palabras clave: Estructura poblacional; Marcadores moleculares y cromosómicos; Rasgos morfométricos.

ABSTRACT

The study of the population structure allows analyzing the distribution of the variability within and among natural populations interpreting the processes that shape variation. In the laboratory of Genetics of the Population Structure of the Department of Ecology, Genetics and Evolution (F. C. E. yN., UBA) intraspecific variability analysis are carried out using chromosome, molecular and morphometric markers in organisms of agronomic or evolutionary importance using species of grasshoppers and marine vertebrates as biological models. In Orthoptera cytogenetic studies clarifed the mechanisms of coevolution between dispensable genomic elements (chromosomes B) and the host genome (A chromosomes) and provided the opportunity to analyze the variability associated with chromosomal rearrangements (centric fusions; pericentric inversions) which modify the number of independent linkage groups. The analysis of the relationships between morphometric and climatic/environmental variables allow inferring important aspects of the phenotypic evolution. Cytogenetic and morphometric simultaneous studies analyzed the effects of the karyotype and phenotype on fitness components providing direct evidence of the adaptive significance of the chromosomal polymorphisms. Studies using molecular markers (RFLP, DAMD RAPD) analyzed the genetic population structure as well as the gene fow between populations. Morphometric and molecular studies (DNA sequences, microsatellites) in vertebrate marine identifed genetically distinct groups of organisms that should be conserved. The emerged results interpreted the adaptive strategies of Orthoptera species considered plagues as well as provided information to implement mitigation measures and plans for conservation in marine vertebrate species.

Key words: Population structure; Molecular and chromosome markers; Morphometric traits.

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INTRODUCCIÓN

El conocimiento de los procesos que estructuran la variación de una especie es un aspecto fundamental en biología evolutiva. En los últimos años en el laboratorio de Genética de la Estructura Poblacional, del Departamento de Ecología Genética y Evolución (F. C. E. yN., UBA) se han realizado estudios de variabilidad intra e interpoblacional empleando marcadores cromosómicos, moleculares y morfométricos en especies de interés agronómico, evolutivo o en biología de la conservación utilizando como modelos biológicos especies de ortópteros y vertebrados marinos (tortugas y toninas). La información emergente permitió inferir acerca de las relaciones entre las diferentes entidades en estudio y los mecanismos evolutivos determinísticos (selección natural, migración y mutación) y estocásticos (deriva genética) así como procesos demográficos (cambios en el tamaño poblacional) involucrados en el mantenimiento de la variabilidad en un determinado grupo de organismos y aportó información en la interpretación de las estrategias adaptativas de insectos plagas o implementar unidades de manejo en planes de conservación de la biodiversidad.

ANÁLISIS DE LA ESTRUCTURA POBLACIONAL EN ESPECIES DE ORTÓPTEROS

Un problema de interés al analizar la estructura poblacional está relacionado con la capacidad colonizadora de algunas especies en ambientes perturbados o abiertos. Los ortópteros constituyen un grupo de importancia agronómica ya que pueden aumentar su tamaño poblacional y su distribución geográfica de manera explosiva debido a la ampliación de las áreas cultivadas y también poseen interés evolutivo por la alta incidencia de polimorfismos cromosómicos ofreciendo la oportunidad de analizar la variación cromosómica intraespecífica. Dichroplus elongatus es un Acridido que habita frecuentemente praderas argentinas y que constituye un interesante modelo biológico para analizar la estructura poblacional en especies con interés agronómico y evolutivo (Clemente et al., 1994; 1996; Remis y Vilardi, 2004). Las poblaciones argentinas de esta especie se caraterizan por la presencia de heterocromatina supernumeraria bajo la forma de cromosomas y segmentos supernumerarios que afectan la recombinacion genética y la fertilidad de los portadores (Clemente et al., 1994). Desde el descubrimiento de los cromosomas B o supernumerarios (Wilson, 1907), ha constituido un verdadero desafío en citogenética evolutiva explicar su mantenimiento en las poblaciones naturales. Los estudios realizados en nuestro laboratorio en esta especie permitieron aportar información acerca de estas variantes cromosómicas consideradas generalmente como ejemplos de ADN egoísta. Los estudios citogenéticos clásicos y a través de bandeo fuorescente permitieron caracterizar la heterocromatina de las distintas variantes cromosómicas así como proponer sus posibles orígenes (Rosetti et al., 2010). Los estudios citogenéticos poblacionales en D. elongatus permitieron analizar simultáneamente los patrones de variación de ambas formas heterocromáticas y demostraron una marcada estructuración poblacional cromosómica. Dos líneas de evidencias demostraron que los patrones de variación cromosómica no pueden explicarse en un escenario neutral: i) las distintas variantes cromosómicas presentan diferentes patrones de diferenciación (Remis et al., 1998; 2004) y ii) la variación a nivel del ADNmt, un marcador esencialmente neutro, presenta discrepancias respecto de la diferenciación cromosómica (Clemente et al., 2000). Los estudios de componentes de selección brindaron evidencias adaptativas directas de los polimorfismos cromosómicos. En poblaciones del noroeste de nuestro país demostraron que la selección sexual direccional favorece machos más grandes y con cariotipo estándar y que la selección para fecundidad favorece hembras con cromosomas B (Rosetti et al.2007). Estos hallazgos llevaron a postular que en las poblaciones del norte de nuestro país los cromosomas B se mantendrían por interacción entre mecanismos de acumulación y algún tipo de "trade-off" entre efectos beneficiosos y perjudiciales sobre diferentes componentes de la eficacia biológica ( Rosetti et al., 2007; Rosetti et al., 2008). Las poblaciones de D. elongatus de las provincias biogeográficas Pampeana y Espinal presentan además una considerable variación en el tamaño corporal. Los rasgos relacionados con el tamaño corporal presentan un patrón latitudinal de variación en forma de "diente de serrucho" (saw tooth pattern) que podría corresponderse con el voltinismo (número de generaciones por año) de las poblaciones y por ende con el tiempo de desarrollo (Rosetti y Remis, 2009a). En la mayoría de la poblaciones los cromosomas B estarían asociados con un incremento del tamaño corporal (Rosetti et al., 2007; Rosetti y Remis, 2009b). La frecuencia de cromosomas B evidencia un patrón latitudinal opuesto al observado en la variación en el tamaño corporal de acuerdo con la relación entre el fenotipo y el cariotipo. Los patrones latitudinales cromosómicos contrastantes sugerirían cierta coevolución de los cromosomas B relacionada con la variación fenotípica debida a adaptación local (Rosetti y Remis 2009, a y b). Los estudios genético moleculares empleando loci minisatélites demostraron alta diferenciación entre y dentro de poblaciones y alta discrepancia entre los patrones de variación cromosómico y morfométricos respecto de marcadores moleculares neutros sugiriendo diferentes historias evolutivas para los diferentes marcadores (Rosetti y Remis, 2007; 2009a). Las evidencias disponibles indican que los patrones de variación cromosómica y morfométrica son moldeadas principalmente por factores selectivos. Las poblaciones de D. elongatus de nuestro país mantienen, por la acción de diferentes procesos evolutivos, alta variabilidad cromosómica, morfométrica y molecular otorgándoles fexibilidad evolutiva y alta capacidad de colonizar nuevas áreas. Una especie considerada plaga de importancia menor es Sinipta dalmani.Este acrídido argentino se caracteriza por presentar variabilidad cromosómica en ciertas áreas de su distribución (Colombo y Remis, 1997; Remis, 2008a). En poblaciones de la provincia de Entre Ríos, se detectaron polimorfismos para dos inversiones pericéntricas en los pares cromosómicos M4 y M7 y una fusión céntrica que involucra al cromosoma sexual. Dichas mutaciones cromosómicas afectan la formación de quiasmas conduciendo a una redistribución de los mismos, evitando total o parcialmente el entrecruzamiento dentro los límites del rearreglo y condiciendo a una diferenciación genética entre el cromosoma estándar y con el rearreglo (Remis, 2008a). En las poblaciones polimórficas, se detectó variación fenotípica significativa y parte de esa variación esta asociada con el polimorfismo de inversión M4 (Remis, 1997; Remis, 2002; Remis, 2008b). Se demostró selección sexual favoreciendo a los machos más grandes con cariotipo estándar y a las hembras con menor tamaño corporal (Remis et al., 2000; Pensel y Remis, 2007). Estudios recientes demostraron una variación significativa en el tamaño corporal dentro de las poblaciones y entre poblaciones, la cual, no puede ser explicada por interacción entre deriva genética y migración (Sesarini y Remis, 2008). Los análisis de la variación a nivel del ADNmt y del genoma nuclear (RFLP y RAPD) demostraron una estructura poblacional significativa (Pensel et al., 2005, Sesarini y Remis, 2008). Los estudios de estructura poblacional en S. dalmani demostraron que la variabilidad cromosómica podría ser el resultado simultáneo de diferencias selectivas y de restricciones en el flujo génico y que los patrones de diferenciación entre poblaciones para el tamaño corporal se deberían principalmnete a adaptación local. La restricciones en el flujo génico entre poblaciones detectadas a nivel molecular sugieren que los crecimientos poblacionales putativos en esta especie podrian no tener consecuencias importantes en su distribución. Otra especie de Acridido con interés evolutivo es Leptysma argentina. Las poblaciones argentinas de L. argentina son polimórficas para una fusión céntrica entre los pares cromosómicos 3 y 6 del complemento que produce efectos sobre caracteres morfométricos relacionados con el tamaño corporal, que son a su vez, favorecidos durante la vida de los machos adultos. L. argentina constituye otra de las especies que se han utilizado como modelo biológico en el análisis de los efectos de las mutaciones cromosómicas sobre la eficacia biológica de los portadores. Los análisis de selección sexual demuestran en machos y hembras selección fenotípica direccional favoreciendo los individuos más grandes y selección cromosómica favoreciendo la secuencia fusionada (Colombo et al., 2001, Colombo et al., 2004). Aunque de tipo indirecta, la selección sexual en machos y hembras favorecería la mayor dosis de fusión. Sin embargo el polimorfismo de fusión parece ser temporalmente estable señalando la importancia de continuar con los estudios de componentes de selección también en esta especie para lograr una mejor comprensión del mantenimiento de los polimorfismos cromosómicos.

ANÁLISIS DE LA ESTRUCTURA POBLACIONAL EN ESPECIES DE VERTEBRADOS MARINOS

El análisis de la estructura de las poblaciones aplicada a la conservación de biodiversidad permite identificar grupos de organismos evolutivamente diferenciados, que son los que se desean preservar. Son varias las especies de reptiles y mamíferos marinos, que visitan o habitan en nuestras costas, cuyas poblaciones sufren la presión de la actividad humana. Recientemente, en el laboratorio se comenzó con el análisis de la variabilidad en poblaciones o áreas de alimentación de especies que experimentan reducción del tamaño poblacional en ambientes perturbados como la tortuga verde (Chelonia mydas) y la tonina overa (Cephalorhynchus commersonii). La tortuga verde (Chelonia mydas) presenta una amplia distribución mundial en aguas tropicales y subtropicales. La captura incidental e intencional a nivel mundial con fines alimenticios y medicinales, condujeron a una dramática reducción de los tamaños poblacionales en algunas regiones de su distribución convirtiéndola en especie en peligro para la Unión Mundial para la Naturaleza (UICN) y la Convención sobre el Comercio Internacional de Especies Amenazadas de Flora y Fauna Silvestre (CITES). La tortuga verde visita las aguas de las costas Argentinas como resultado de sus extensas migraciones entre sus zonas de alimentación y de anidación o reproducción. En nuestro laboratorio se comenzó con la caracterización molecular de la zona de alimentación "Río de la Plata" analizando la variación en secuencias de ADN de la región control mitocondrial. Los valores de diversidad genética estimados fueron semejantes a otras zonas de alimentación analizadas en Brasil y superior a los detectados en la costa Uruguaya (Prosdocimi et al., 2011). Los estudios de asignación de pertenencia evidenciaron que la zona de alimentación del Río de la Plata constituye un "stock mixto", es decir, está integrado por migrantes de diferentes colonias anidadores. Nuestros resultados contribuyen al estudio de la estructura poblacional y de las rutas de migración de la tortuga verde y pueden ser utilizados en la implementación de medidas y planes de conservación no solo en las zonas de anidación sino tambien en las zonas de alimentación y desarrollo de esta especie en peligro. En nuestras costas habita también la tonina overa, Cephalorhynchus commersonii. La pesca artesanal que se efectúa en la Isla Grande de Tierra del Fuego se desarrolla principalmente en la costa atlántica y la tonina overa es el cetáceo más afectado por mortalidad incidental en esta zona. El efecto en la población total es desconocido. En los últimos años, en nuestro laboratorio, se comenzó la caracterización molecular a nivel del ADNmt de la tonina overa de Tierra del Fuego a partir de muestras de huesos y dientes. Los estudios de la variabilidad molecular en la región control del ADNmt permitieron definir 20 haplotipos determinados por 18 sitios polimórficos (Pimper et al., 2009). Los niveles de diversidad genética detectados en esta tonina fueron bajos comparados con otros odontocetes pero semejantes a los detectados en otras especies del género. Resultados recientes demostraron la existencia de poblaciones locales de tonina overa en la zona mas austral de su distribución, indicando una importante estructuración en el legado de variabilidad de esta especie (Pimper et al., 2010). Los resultados emergentes de estas investigaciones aportaron información de utilidad para la UICN (Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza), en donde esta especie es considerada como deficiente de datos, y pueden ser relevantes para una eventual implementación de estrategias de manejo y conservación.

AGRADECIMIENTOS

Esta contribución fue parcialmente subvencionada por la Universidad de Buenos Aires a través del proyecto X-186 y por el CONICET a través del proyecto. PIP N◦ 112-201001-00244.

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Received: 20/07/2010
Accepted: 22/11/2011