Variaciones meióticas y evolución cromosómica en insectos y arácnidos con cromosomas holocinéticos

 

Mola, L. M. *; Rebagliati, P. J.; Rodríguez Gil, S. G. & Adilardi, R. S.

Laboratorio de Citogenética y Evolución, Departamento de Ecología Genética y Evolución. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires. Intendente Güiraldes y Costanera Norte, 1428 Ciudad Universitaria. Ciudad Autónoma de Buenos Aires. limola@ege. ficen. uba. ar

 

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RESUMEN

Los estudios citogenéticos en grupos modelo de insectos (Odonata y Heteroptera) y arácnidos (Dysderoidea y Buthidae) con cromosomas holocinéticos nos han permitido determinar diferencias en el comportamiento meiótico de autosomas y cromosomas sexuales (meiosis pre- o post-reduccional, quiasmática o aquiasmática, actividad telocinética u holocinética) y en la frecuencia y distribución de las mutaciones cromosómicas (fusiones, fragmentaciones y translocaciones en homocigosis o heterocigosis) en la evolución del cariotipo.

Palabras clave: Cromosomas holocinéticos; Meiosis; Evolución cromosómica; Odonata; Heteroptera; Dysderoidea; Buthidae.

ABSTRACT

Cytogenetic studies in model groups of insects (Odonata and Heteroptera) and arachnids (Dysderoidea and Buthidae) with holokinetic chromosomes allowed us to identify differences in autosomes and sex chromosomes meiotic behaviour (pre-or post-reductional meiosis, chiasmatic or achiasmatic meiosis, telokinetic or holokinetic activity). Also, we detected differences in the frequency and distribution of chromosomal mutations (fusions, fragmentations and translocations both in homozygosity or heterozygosity) in the karyotype evolution mechanisms.

Key words: Holokinetic chromosomes; Meiosis; Chromosomal evolution; Odonata; Heteroptera; Dysderoidea; Buthidae.

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GENERALIDADES

Los cromosomas holocinéticos se identifican por la ausencia de una constricción primaria o centrómero, en contraposición a los cromosomas monocéntricos presentes en la mayoría de los organismos. Estos cromosomas están ampliamente representados en los insectos, caracterizando a Odonata, Dermaptera, Zoraptera, Phthiraptera, Psocoptera, Lepidoptera, Trichoptera y Hemiptera. En Arachnida son distintivos de Buthidae, Dysderoidea y Astigmata. También se encuentran en Nematoda y en las monocotiledóneas Juncaceae y Cyperaceae. Se propone que son de origen poliflético dado que se encuentran en grupos filogenéticamente alejados. Su comportamiento durante la mitosis es similar en todos los taxa, en metafase las fibras del huso se unen en toda su longitud, y en anafase las cromátidas hermanas migran tanto paralelas entre sí como al plano ecuatorial; sin embargo, existen diferencias en su comportamiento meiótico en los distintos grupos (Mola & Papeschi, 2006; Guerra et al., 2010). Los estudios de nuestro grupo se centran el comportamiento de los cromosomas holocinéticos en meiosis, el papel de las mutaciones cromosómicas en la evolución de las especies, así como en la caracterización de la estructura cromosómica, tomando como modelo algunos taxa de insectos (Odonata y hemípteros Heteroptera) y arácnidos (Dysderoidea y Buthidae).

CITOGENÉTICA DE ODONATA Y HETEROPTERA

En Odonata se describió una gran constancia cariotípica, tanto a nivel intra- como interespecífco. Los números haploides 12, 13 y 14 son los más frecuentes (93% de aproximadamente 700 especies estudiadas), siendo 13 el número modal; también es corriente encontrar un bivalente marcadamente menor (cromosomas m). Para determinar el número ancestral del orden mapeamos el número modal de 55 géneros pertenecientes a 14 familias de los subórdenes Epiprocta y Zygoptera, ambos monofiléticos, sobre el árbol de máxima parsimonia tomado de Bybee et al.(2008). En tres familias de Epiprocta y en siete de Zygoptera el número haploide 13 aparece tanto en las familias ancestrales como en las más derivadas. En cambio, los números 12 y 14 caracterizan a sendas familias de Epiprocta y Zygoptera. Estos complementos serían derivados, siendo mínimo el número de rearreglos indispensables para originarlos, sólo la fijación de una fusión o una fragmentación (Mola, 2007 y bibliografía ahí citada, Mola et al., 2009).
El sistema de determinación del sexo preponderante es XX/X0 (hembra/macho) (95%). Los sistemas derivados son neo-XX/neo-XY, donde el neo-X se origina típicamente por una fusión terminal X-autosoma (Figura 1a), sin embargo para especies con complementos muy reducidos proponemos un origen diferente. En Orthemis ambinigra el neo-X se habría originado por la fusión intercalar del X con dos autosomas no homólogos de distinto tamaño, mientras que en Rhionaeshna planaltica, por la inserción submedial del X en un cromosoma m. Además, caracterizamos un nuevo sistema de determinación del sexo para el orden (X₁X₁X₂X₂/X₁X₂Y en Micrathyria ungulata) derivado de un sistema neo-XY por la fusión del neo-Y con un autosoma. En colaboración con el Dr. Frantisec Marec (Institute of Entomology, República Checa) analizamos la diferenciación molecular del neo-Y de Rhionaeshna bonariensis mediante GISH (Genomic in situ hybridization); en este cromosoma predomina la heterocromatina, indicando un alto grado de divergencia entre los neocromosomas sexuales, y su origen evolutivo antiguo (Mola, 1996; Mola et al., 1999; Mola, 2007; Mola & Agopian, 2008).

Figura I. a) Diacinesis de Rhionaeshna bonariensis (Aeschnidae), n=12+neo-XY. b) Prometafase espermatogonial de Edessa meditabunda (Pentatomidae), 2n=14. c) Profase I tardia de Tityus argentinus (Buthidae), n=1II+1VII. d) Estadio difuso de Dysdera crocota (Dysderidae), n=3+X0. La punta de fecha señala los cromosomas sexuales. La fecha indica la señal de hibridación con sonda de ADNr. Barra = 10 μm.

La caracterización de la heterocromatina con bandeo C y fuorocromos específicos de bases muestra variación interespecífica en su contenido y composición molecular, pudiendo estar ausente, ser escasa o presentarse como bandas teloméricas C-positivas en todos los cromosomas, esta heterocromatina puede ser rica en AT o en repeticiones AT/ GC intercaladas; la región organizadora nucleolar (NOR) se encuentra en la región telomérica de un par autosómico (rica en GC) o excepcionalmente en el neo-X en Rhionaeshna planaltica. En varias especies describimos politipismos para el tamaño de los cromosomas m, para el número cromosómico, así como para los sistemas de determinación del sexo. Particularmente, el análisis de tres poblaciones de Erythrodiplax nigricans muestra que mientras dos tienen cromosomas m, en la tercera el bivalente menor es de mayor tamaño y presenta bloques heterocromáticos teloméricos conspicuos, apoyando la hipótesis de que el politipismo se debería al aumento en el contenido del ADN repetitivo. Estos resultados indican que el estudio de un mayor número de especies con técnicas clásicas y moleculares puede revelar una mayor variación cariotípica (Mola, 1996; Mola et al., 1999; Mola, 2007; De Gennaro et al., 2008).
El análisis del comportamiento meiótico en machos nos permitió concluir que los odonatos presentan meiosis post-reduccional basado en la orientación ecuatorial de los bivalentes, y en la división ecuacional de bivalentes sexuales y autosómicos heteromórficos, de univalentes autosómicos y sexuales, y de trivalentes en meiosis I (Mola, 1995; Mola et al., 1999; Mola & Papeschi, 2006).
En Heteroptera el tipo de meiosis difere en los autosomas y en los cromosomas sexuales de machos; en meiosis I los bivalentes autosómicos se dividen reduccionalmente, mientras que los cromosomas sexuales (XY en 71, 4% de aproximadamente 1600 especies estudiadas) son aquiasmáticos y se dividen ecuacionalmente; en la segunda división el X y el Y forman un pseudobivalente y segregan a polos opuestos (meiosis post-reduccional). La actividad cinética en meiosis está restringida a una de las regiones teloméricas (cromosomas telocinéticos), y en los bivalentes (normalmente con un quiasma terminal) las regiones que son activas en la primera división meiótica son inactivas en la segunda. En cambio, cuando los bivalentes presentan dos quiasmas terminales carecen de regiones teloméricas libres para unirse a las fibras del huso; en estos bivalentes describimos dos comportamientos diferentes: i- uno de los quiasmas se libera precozmente permitiendo que las regiones teloméricas libres se asocien al huso, o ii- sitios alternativos (constricciones secundarias NOR) adquieren actividad cinética liderando la migración a los polos. El análisis de la actividad cinética del X e Y de Mormidea paupercula nos permitió demostrar que, a diferencia de los autosomas, la misma región telomérica puede liderar la migación en ambas divisiones meióticas (Papeschi et al., 2003; Papeschi & Bressa, 2006; Viera et al., 2009; Rebagliati & Mola, 2010b).
En heterópteros las placas metafásicas meióticas muestran una arquitectura particular, en general los autosomas se disponen en un anillo y los cromosomas sexuales se ubican en el centro del mismo. En Pentatomidae describimos variaciones intra- e interespecíficas del arreglo espacial de los cromosomas sexuales en metafase I, siendo frecuente que formen parte del anillo de bivalentes. La revisión de las características cariotípicas de aproximadamente 300 especies de pentatómidos muestra que 95% presentan los números haploides 6, 7 y 8, con una marcada moda en 7 (83%); el sistema de determinación del sexo es XX/XY (hembra/macho) (excepto en tres especies), siendo más frecuentes las fragmentaciones cromosómicas. Asimismo, hemos encontrado variación interespecífica en el contenido de heterocromatina (ausente, presente como bloques teloméricos en algunos o todos los pares cromosómicos, generalmente ricos en repeticiones AT/GC intercaladas), y en la ubicación de las NOR (en un par autosómico en regiones teloméricas o constricciones secundarias, menos frecuentemente en los cromosomas sexuales y excepcionalmente en ambos tipos de cromosomas) (Figura 1b). Estos resultados nos permiten concluir que en esta familia la especiación no ha sido acompañada por grandes cambios en el número cromosómico ni en el sistema de determinación del sexo, sin embargo, las marcadas diferencias en el tamaño cromosómico y en el contenido de heterocromatina indican que variaciones en la cantidad de ADN (hetero- y/o eucromático) y la transposición de las NOR a los cromosomas sexuales podrían haber jugado un papel importante en la evolución cariotípica (Rebagliati et al., 2001, 2003, 2005; Rebagliati, 2009; Rebagliati & Mola, 2010a).
En Dysdercus albofasciatus propusimos un origen complejo del sistema neo-XY a partir del sistema XX/X0; el neo-X surge por la inserción subterminal del X en un autosoma seguido por una gran inversión que incluye parte del X ancestral, mecanismo corroborado posteriormente por técnicas moleculares. Si bien en odonatos y heterópteros los principales mecanismos de evolución del cariotipo son las fusiones y fragmentaciones cromosómicas, existen diferencias en su incidencia en los cromosomas sexuales. En los sistemas derivados de odonatos no se describieron fragmentaciones, mientras que en heterópteros son las más frecuentes (originando sistemas X_nX_n/X_nY, X _nX_n/X_n0, XX/XY_n), siendo ocasionales las fusiones (Mola & Papeschi, 1997; Bressa et al., 1999, 2009).

CITOGENÉTICA DE DYSDEROIDEA Y BUTHIDAE

Las Dysderoidea forman un grupo monoflético, siendo actualmente las únicas arañas con cromosomas holocinéticos. Se conocen las características citogenéticas de apenas tres géneros y 14 especies: Ariadna (3spp.) presenta los números haploides 4 y 5, con un sistema de determinación del sexo XX/X0 (hembra/macho); Segestria (3spp.) tiene n=8, con el sistema X₁X₁X₂X₂/X₁X₂0; y Dysdera (8spp.) muestra una gran variación en el número cromosómico, desde n=4 hasta n=20, con el sistema XX/X0 (excepto en una especie). En la meiosis de machos los cromosomas sexuales se dividen reduccionalmente de Ariadna y Segestria, mientras que el X de Dysdera crocota se divide ecuacionalmente, desconociéndose su comportamiento en otras especies. En Ariadna la meiosis es quiasmática, pero en Dysdera y Segestria existe controversia respecto al tipo de meiosis (quiasmática o aquiasmática). En D. crocota describimos tres cariotipos distintos con 7, 9 y 11 cromosomas, estando los dos primeros en simpatría (Figura 1d); en poblaciones del Viejo Mundo, Rezák y colaboradores (2008) encuentran politipismos para el número cromosómico (9, 11, y 13). El origen más probable de esta variación es la reducción del número cromosómico por fusiones. Estos resultados indican la diferenciación de esta especie en razas cromosómicas, si bien no se puede descartar la presencia de especies crípticas (Rodríguez Gil, et al., 2002; Rodríguez Gil, et al., 2006; Mola et al., 2006; Král et al., 2006).
Los Buthidae forman un grupo monoflético claramente separado del resto de los escorpiones, y son los únicos con cromosomas holocinéticos. Presentan meiosis aquiasmática, como otras familias del orden, y ausencia de cromosomas sexuales heteromórficos en machos. En esta familia hay una alta incidencia de polimorfismos y politipismos para mutaciones cromosómicas en heterocigosis (en 14 de las 43 especies estudiadas). En Tityus argentinus describimos variaciones numéricas y estructurales (5 bivalentes y un heptavalente más un bivalente) (Figura 1c). En Tityus se encuentra una gran variación en el número cromosómico (desde 5 a 27) y en las configuraciones meióticas (desde univalentes hasta decavalentes), indicando que las translocaciones, así como las fusiones y/o fragmentaciones son los mecanismos de evolución cariotípica preponderantes (Rodríguez Gil et al., 2009; Schneider et al., 2009a, b y bibliografía ahí citada; Adilardi et al., 2010, Adilardi, 2011).

CONSIDERACIONES FINALES

Las diferencias en el comportamiento meiótico de autosomas y cromosomas sexuales (meiosis pre- o post-reduccional, quiasmática o aquiasmática, actividad telocinética u holocinética) y en los mecanismos de evolución del cariotipo (fusiones, fragmentaciones y translocaciones en homocigosis o heterocigosis) indican que en insectos y arácnidos con cromosomas holocinéticos los sistemas meióticos y la incidencia de las mutaciones cromosómicas en la evolución de las especies serían taxa específicos, corroborando el origen poliflético de este tipo particular de cromosomas.

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Received: 20/07/2010
Accepted: 29/08/2011