Factores de transcripción en plantas
La manifestación fenotípica debida a un genotipo determinado es el resultado de lo que se denomina expresión génica. En plantas, como en otros organismos, la expresión de genes específicos aumenta o disminuye en respuesta a factores ambientales y a un programa inherente de desarrollo. Los factores ambientales que afectan a la expresión génica en plantas incluyen la interacción con patógenos y factores abióticos como la luz, temperatura, anoxia, sequía, exceso y deficiencia de nutrientes. Los factores de desarrollo pueden ser temporales y/o espaciales y coinciden con procesos tales como la germinación, el desarrollo de órganos (raíces, hojas, etc.), la transición hacia la morfología floral, la senescencia, embriogénesis, desarrollo de la semilla y la maduración de frutos.
Una de las formas más importantes de control de la expresión génica es la regulación transcripcional y dentro de ésta son los denominados factores de transcripción los que se encargan de llevarla a cabo de forma preferente. Los factores de transcripción son proteínas de localización nuclear que se unen a secuencias específicas de DNA y que modulan la expresión de los genes. En plantas superiores el estudio de estos factores es bastante escaso. En este artículo se recogen las características generales de los factores de transcripción de plantas mejor estudiados.1.- b-Zip
Se han descrito muchos factores de transcripción en plantas pertenecientes a los llamados b-Zip. En general, son un grupo de proteínas que contienen una cremallera de leucina como motivo estructural común ya que actuan como dímeros y una zona de aminoácidos básicos que precede al dominio de cremallera de leucina con la que se unen de manera específica al DNA.
Los factores b-Zip se unen en forma de dímeros a secuencias de reconocimiento específicas del DNA en zonas próximas a los promotores y regiones activadoras o potenciadoras (enhancer) de los genes. Se cree que, junto a otros factores, contribuyen a la eficiencia con la cual la RNA polimerasa se une al promotor e inicia la transcripción. En general, todas estas proteínas son activadores de la transcripción de manera constitutiva o regulable a través de modificación post-traduccional (normalmente por fosforilación) en respuesta a estímulos externos. Muchos factores b-Zip se expresan de forma específica en diferentes tipos celulares o de forma regulada en función de los patrones de desarrollo, y contribuyen a la diferenciación de tejidos [Hurst H, Prot. Profile vol.1, 2: 123-168 (1994)]. Otros b-Zip pueden actuar como represores de la transcripción bajo algunas circunstancias. Por ejemplo, pueden mostrar diferentes actividades dependiendo de cuales son las proteínas que se están dimerizando [Hsu y cols., Mol. Cell Biol., 12:4654-4665 (1992)], dependiendo del contexto del sitio de unión al promotor [Owen y cols., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 87:9990-9994 (1990); Schule y cols., Cell, 61:497-504 (1990)] y algunos tienen variaciones de procesamiento que muestran actividades diferentes [Meyer y col., Endocr. Rev.,14:269-290 (1993)].
En plantas estos elementos se unen a secuencias de DNA que contienen un motivo central común ACGT cuya secuencia flanqueante afecta a la especificidad de unión al DNA, clasificándose en tres grupos: Caja G, Caja C y Caja A [Foster y cols., FASEB J., 8:192-200 (1994); Izawa y cols., J. Mol. Biol., 230:1131-1144 (1993)]. En relación a la regulación, y de forma análoga a lo que ocurre en otros organismos, en plantas se lleva a cabo por dimerización y modificaciones post-traduccionales que corresponden a la fosforilación [Unger y cols.,Plant Cell, 5: 831-841 (1993); Pysh y cols., Plant Cell, 5:227-236 (1993)].
2.- Factores relacionados con Myb y Myc.
En plantas se han descrito varios factores relacionados con Myb y Myc que están implicados en la biosíntesis de pigmentos. La regulación diferencial de la biosíntesis de pigmentos por parte de los myb homólogos puede llevarse a cabo mediante la interacción de estas proteínas a sus secuencias diana y/o a través de la acción combinada con Myc homólogos [Ramachandram y cols., Curr. Op. Gen. Dev., 4: 642-646 (1994)].
A pesar de la amplia divergencia evolutiva y de las diferencias en el patrón y función de la pigmentación en las diferentes plantas, los factores myb y myc son capaces de complementar mutantes en diferentes especies [Lloyd y cols., Science, 258: 1173-1175 (1992); Quatrocchio y cols., Plant Cell, 5:1497-1512 (1993)]. Además, siendo una familia tan amplia, los myb homólogos podrían tener funciones diferentes a las relacionadas con la biosíntesis de pigmentos y se ha observado que la expresión de un myb homólogo en Arabidopsis está inducida por deshidratación y estrés salino, sugiriendo que podría estar involucrado en la regulación de los genes de respuesta a estrés hídrico [Urao y cols., Plant Cell, 5:1529-1539 (1993)].
3.- Homeodominios
Muchos genes contienen lo que se llaman cajas homeóticas, una secuencia de 180 pb que codifica 60 aminoácidos, el homeodominio, que es una región de unión a DNA. Su nombre deriva de su identificación original en los genes homeóticos de Drosophila (aquellos genes que determinan la identidad de las estructuras corporales). Estos factores juegan un papel importante en las decisiones que controlan la diferenciación celular y los patrones de formación [Scott y cols., Biochem. Biophys. Acta, 989:25-48 (1989)]. Los homeodominios han divergido mucho a lo largo de la evolución en los eucariotas, pero todos ellos contienen residuos altamente conservados que podrían ser necesarios para la unión al DNA [Chasan R.,Plant Cell, 3: 237-340 (1992)].
Los productos de los genes homeóticos en plantas pueden agruparse en dos categorías:
El segundo tipo de homeodominios consiste en una proteína que contiene un dominio de cremallera de leucina situado junto al carboxi terminal del homeodominio [Sessa y cols., EMBO J., 12: 3507-3517 (1993)]. La existensia exclusiva de los HD-ZIP en plantas superiores sugiere que estos factores podrían controlar procesos que son específicos de plantas, tales como el acoplamiento del desarrollo a señales ambientales como luz, estrés, etc. [Carabelli y cols., Plant J., 4:469-479 (1993)]. 4.- Cajas-MADS
Estos factores son un tipo de homeodominios con identidad propia que fueron reconocidos por primera vez en levaduras y vertebrados. Se trata de una proteína en cuyos 56 aminoácidos están localizados los dominios de unión al DNA, dimerización y atracción de factores secundarios. Aunque los MADS están muy conservados, son diversos en cuanto a sus funciones celulares.
Este tipo de factores forman parte de un grupo de genes homeóticos que regulan el desarrollo floral en plantas. Todavía falta por ver los resultados de estudios de sobreexpresión y antisentidos para esclarecer la regulación de estos genes y el efecto de ésta sobre la regulación de otros genes, aunque algunos estudios apuntan a que podrían actuar tanto como activadores como represores [Ramachandram y cols., Curr. Op. Gen. Dev., 4: 642-646 (1994)].
5.- Factores de unión a la Caja TATA (TBPs)
La caja TATA se encuentra en la mayoría de los genes transcritos por la RNA polimerasa II y a ésta se une un tipo de factor general llamado TBP. La unión de este factor desencadena una serie de pasos de ensamblaje de otros factores, incluyendo a la RNA polimerasa II que resultan en la activación transcripcional del gen [Buratowski y cols., Cell, 56:549-561 (1989)].
Se ha clonado TBPs en levaduras, animales y plantas. Todos estos genes codifican una región central de gran homología en el carboxi terminal y divergente en el amino terminal. La región central del factor es responsable de la unión a la caja TATA y de la interacción con otros factores del complejo de transcripción [Guarente y cols., TIG, 8 1: 27-32 (1992)]. Además, esta conservación no se refiere sólo a la presencia del factor en diferentes organismos, sino que también lo es en sentido funcional, observándose funcionalidad de factores TBPs de plantas en animales y levaduras [Mukumoto y cols., Plant Mol. Biol., 23:995-1003 (1993); Vogel y cols., Plant Cell, 5:1627-1638 (1993)].
6.- Otros
Otros factores de plantas muestran homología con la familia de HMG de vertebrados y pueden interactuar con elementos ricos en AT dentro de los promotores diana y se han propuesto como activadores de la transcripción [Tjaden y cols., Plant Cell, 6:107-118 (1994); Neito-Solet y cols., Plant Cell, 6:287-301 (1994)].
El conocimiento de los factores de transcripción en plantas superiores es aún limitado y por ello este tema ha sido y es uno de los puntos más estudiados por los biólogos moleculares de plantas en los últimos años. El esclarecimiento de la regulación y la caracterización de estos factores no sólo es importante de cara a un mejor conocimiento de éstos en sí, sino que resulta de vital importancia para la dilucidación de los procesos de transducción que conectan las señales externas con los procesos celulares que determinan los diferentes fenotipos que conocemos.
Una de las formas más importantes de control de la expresión génica es la regulación transcripcional y dentro de ésta son los denominados factores de transcripción los que se encargan de llevarla a cabo de forma preferente. Los factores de transcripción son proteínas de localización nuclear que se unen a secuencias específicas de DNA y que modulan la expresión de los genes. En plantas superiores el estudio de estos factores es bastante escaso. En este artículo se recogen las características generales de los factores de transcripción de plantas mejor estudiados.1.- b-Zip
Se han descrito muchos factores de transcripción en plantas pertenecientes a los llamados b-Zip. En general, son un grupo de proteínas que contienen una cremallera de leucina como motivo estructural común ya que actuan como dímeros y una zona de aminoácidos básicos que precede al dominio de cremallera de leucina con la que se unen de manera específica al DNA.
Los factores b-Zip se unen en forma de dímeros a secuencias de reconocimiento específicas del DNA en zonas próximas a los promotores y regiones activadoras o potenciadoras (enhancer) de los genes. Se cree que, junto a otros factores, contribuyen a la eficiencia con la cual la RNA polimerasa se une al promotor e inicia la transcripción. En general, todas estas proteínas son activadores de la transcripción de manera constitutiva o regulable a través de modificación post-traduccional (normalmente por fosforilación) en respuesta a estímulos externos. Muchos factores b-Zip se expresan de forma específica en diferentes tipos celulares o de forma regulada en función de los patrones de desarrollo, y contribuyen a la diferenciación de tejidos [Hurst H, Prot. Profile vol.1, 2: 123-168 (1994)]. Otros b-Zip pueden actuar como represores de la transcripción bajo algunas circunstancias. Por ejemplo, pueden mostrar diferentes actividades dependiendo de cuales son las proteínas que se están dimerizando [Hsu y cols., Mol. Cell Biol., 12:4654-4665 (1992)], dependiendo del contexto del sitio de unión al promotor [Owen y cols., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 87:9990-9994 (1990); Schule y cols., Cell, 61:497-504 (1990)] y algunos tienen variaciones de procesamiento que muestran actividades diferentes [Meyer y col., Endocr. Rev.,14:269-290 (1993)].
En plantas estos elementos se unen a secuencias de DNA que contienen un motivo central común ACGT cuya secuencia flanqueante afecta a la especificidad de unión al DNA, clasificándose en tres grupos: Caja G, Caja C y Caja A [Foster y cols., FASEB J., 8:192-200 (1994); Izawa y cols., J. Mol. Biol., 230:1131-1144 (1993)]. En relación a la regulación, y de forma análoga a lo que ocurre en otros organismos, en plantas se lleva a cabo por dimerización y modificaciones post-traduccionales que corresponden a la fosforilación [Unger y cols.,Plant Cell, 5: 831-841 (1993); Pysh y cols., Plant Cell, 5:227-236 (1993)].
2.- Factores relacionados con Myb y Myc.
En plantas se han descrito varios factores relacionados con Myb y Myc que están implicados en la biosíntesis de pigmentos. La regulación diferencial de la biosíntesis de pigmentos por parte de los myb homólogos puede llevarse a cabo mediante la interacción de estas proteínas a sus secuencias diana y/o a través de la acción combinada con Myc homólogos [Ramachandram y cols., Curr. Op. Gen. Dev., 4: 642-646 (1994)].
A pesar de la amplia divergencia evolutiva y de las diferencias en el patrón y función de la pigmentación en las diferentes plantas, los factores myb y myc son capaces de complementar mutantes en diferentes especies [Lloyd y cols., Science, 258: 1173-1175 (1992); Quatrocchio y cols., Plant Cell, 5:1497-1512 (1993)]. Además, siendo una familia tan amplia, los myb homólogos podrían tener funciones diferentes a las relacionadas con la biosíntesis de pigmentos y se ha observado que la expresión de un myb homólogo en Arabidopsis está inducida por deshidratación y estrés salino, sugiriendo que podría estar involucrado en la regulación de los genes de respuesta a estrés hídrico [Urao y cols., Plant Cell, 5:1529-1539 (1993)].
3.- Homeodominios
Muchos genes contienen lo que se llaman cajas homeóticas, una secuencia de 180 pb que codifica 60 aminoácidos, el homeodominio, que es una región de unión a DNA. Su nombre deriva de su identificación original en los genes homeóticos de Drosophila (aquellos genes que determinan la identidad de las estructuras corporales). Estos factores juegan un papel importante en las decisiones que controlan la diferenciación celular y los patrones de formación [Scott y cols., Biochem. Biophys. Acta, 989:25-48 (1989)]. Los homeodominios han divergido mucho a lo largo de la evolución en los eucariotas, pero todos ellos contienen residuos altamente conservados que podrían ser necesarios para la unión al DNA [Chasan R.,Plant Cell, 3: 237-340 (1992)].
Los productos de los genes homeóticos en plantas pueden agruparse en dos categorías:
- Proteínas con homeodominios típicos
- Proteínas con homeodominios y cremalleras de leucina (HD-ZIP)
El segundo tipo de homeodominios consiste en una proteína que contiene un dominio de cremallera de leucina situado junto al carboxi terminal del homeodominio [Sessa y cols., EMBO J., 12: 3507-3517 (1993)]. La existensia exclusiva de los HD-ZIP en plantas superiores sugiere que estos factores podrían controlar procesos que son específicos de plantas, tales como el acoplamiento del desarrollo a señales ambientales como luz, estrés, etc. [Carabelli y cols., Plant J., 4:469-479 (1993)]. 4.- Cajas-MADS
Estos factores son un tipo de homeodominios con identidad propia que fueron reconocidos por primera vez en levaduras y vertebrados. Se trata de una proteína en cuyos 56 aminoácidos están localizados los dominios de unión al DNA, dimerización y atracción de factores secundarios. Aunque los MADS están muy conservados, son diversos en cuanto a sus funciones celulares.
Este tipo de factores forman parte de un grupo de genes homeóticos que regulan el desarrollo floral en plantas. Todavía falta por ver los resultados de estudios de sobreexpresión y antisentidos para esclarecer la regulación de estos genes y el efecto de ésta sobre la regulación de otros genes, aunque algunos estudios apuntan a que podrían actuar tanto como activadores como represores [Ramachandram y cols., Curr. Op. Gen. Dev., 4: 642-646 (1994)].
5.- Factores de unión a la Caja TATA (TBPs)
La caja TATA se encuentra en la mayoría de los genes transcritos por la RNA polimerasa II y a ésta se une un tipo de factor general llamado TBP. La unión de este factor desencadena una serie de pasos de ensamblaje de otros factores, incluyendo a la RNA polimerasa II que resultan en la activación transcripcional del gen [Buratowski y cols., Cell, 56:549-561 (1989)].
Se ha clonado TBPs en levaduras, animales y plantas. Todos estos genes codifican una región central de gran homología en el carboxi terminal y divergente en el amino terminal. La región central del factor es responsable de la unión a la caja TATA y de la interacción con otros factores del complejo de transcripción [Guarente y cols., TIG, 8 1: 27-32 (1992)]. Además, esta conservación no se refiere sólo a la presencia del factor en diferentes organismos, sino que también lo es en sentido funcional, observándose funcionalidad de factores TBPs de plantas en animales y levaduras [Mukumoto y cols., Plant Mol. Biol., 23:995-1003 (1993); Vogel y cols., Plant Cell, 5:1627-1638 (1993)].
6.- Otros
Otros factores de plantas muestran homología con la familia de HMG de vertebrados y pueden interactuar con elementos ricos en AT dentro de los promotores diana y se han propuesto como activadores de la transcripción [Tjaden y cols., Plant Cell, 6:107-118 (1994); Neito-Solet y cols., Plant Cell, 6:287-301 (1994)].
El conocimiento de los factores de transcripción en plantas superiores es aún limitado y por ello este tema ha sido y es uno de los puntos más estudiados por los biólogos moleculares de plantas en los últimos años. El esclarecimiento de la regulación y la caracterización de estos factores no sólo es importante de cara a un mejor conocimiento de éstos en sí, sino que resulta de vital importancia para la dilucidación de los procesos de transducción que conectan las señales externas con los procesos celulares que determinan los diferentes fenotipos que conocemos.
La Biología Molecular como herramienta de investigación en Biogeografía y Biología de la Conservación
Los avances en ingeniería genética y biología molecular han permitido desarrollar técnicas que, puestas al servicio de otras disciplinas y usadas como herramientas de investigación, han ayudado a salvar obstáculos antes impensables. Gracias a estas técnicas en los últimos años se está revisando toda la sistemática de los vertebrados, propuesta clásicamente a partir de carácteres morfológicos, estableciendo, a partir del análisis de secuencias de DNA, árboles filogenéticos mucho más precisos. Por ejemplo, se ha revisado toda la filogenia de las rapaces mediterráneas [Wink & Seibold, Monograf. SEO, 4: 335-344 (1996)] empleando DNA mitocondrial.
La biología molecular también está teniendo su aplicación en el campo de la Biología de la Conservación. El uso de marcadores moleculares, la técnica del "DNA-fingerprinting", el análisis de aloenzimas, los análisis RFLP, la secuenciación, el análisis de microsatélites o la PCR, permiten la identificación individual en especies amenazadas, análisis de viabilidad poblacional y variabilidad genética de poblaciones, o determinar parentescos, filogenias, grados de hibridación o introgresión y establecer así unidades de conservación de acuerdo con la estructura genética espacial (geográfica) de las poblaciones y sus grados de heterozigosidad e hibridación. Hay dos ejemplos clásicos en este campo.
Uno es el caso del topillo Geomys colonus, considerado una especie en peligro de extinción, y que tras un análisis RFLP de DNA mitocondrial resultó ser genéticamente indistinguible de las poblaciones más cercanas, las cuales estaban incluídas en una especie diferente (G. pinetis). Otro es el del tuátara neozelandés (Sphenodon spp.), para el que se pensaba que todas las poblaciones pertenecían a una misma especie. Tras el análisis genético resultó que había dos especies, una de las cuales estaba al borde de la extinción y requería medidas urgentes de conservación.
En biología de la conservación son especialmente importantes las pequeñas poblaciones. Estas poblaciones, normalmente aisladas a consecuencia de la fragmentación y la pérdida de hábitat, no sólo son más susceptibles por su tamaño a los disturbios ambientales o antropogénicos, sino que además corren el riesgo de sufrir fenómenos genéticos (deriva génica, cuellos de botella, etc...) que las lleven a la pérdida de variabilidad genética y por estocasticidad ambiental a la extinción. La tendencia de una población pequeña a extinguirse se conoce como efecto vórtice [Primack, Essentials of Conservation Biology, Sinauer Ass. (1993)]. Otro ejemplo clásico es la población de leones del cráter del Ngorongoro (Tanzania), que tras sufrir un cuello de botella en 1962 quedó reducida a 9 hembras y un macho. En 1990 la población tenía un tamaño en torno a 100 individuos aproximadamente, pero era poco viable: había reducido su variabilidad génica, su éxito reproductivo era bajo y además los machos presentaban graves anomalías espermáticas.
En las pequeñas poblaciones es importante determinar la población mínima para mantener la variabilidad genética y así el tamaño mínimo de población viable. Este es, por ejemplo, uno de los principales problemas del oso pardo (Ursus arctos) en la cordillera Cantábrica y en Pirineos. En la cordillera Cantábrica existen dos núcleos poblacionales de entre 20 y 60 osos separados y aislados. En Pirineos la población no alcanza los 10 ejemplares, también en dos núcleos aislados. Una población de oso de 30 a 70 individuos se extinguirá con un 95% de probabilidad en menos de 100 años según la calidad del medio que ocupe, las características genéticas de los individuos y la demografía de la población [Clevenger & Purroy, Ecología del oso pardo en España, Monografías MNCN-CSIC, (1991)].
Los tamaños mínimos pueden ser estimados combinando técnicas moleculares y estudios de selección y uso del hábitat. En el caso del rinoceronte africano (Diceros bicornis) se ha comprobado analizando la frecuencia de alelos del DNA mitocondrial que, aunque su tamaño es de unos 2000 ejemplares, la fragmentación de la población en unas 75 subpoblaciones aisladas ha provocado una pérdida importante de variabilidad [Ashley et al., Conservation Biology, 4: 71-77 (1990)]. Actualmente es necesario una gestión de la población para incrementar la variabilidad génica y una gestión del hábitat para conectar las subpoblaciones aisladas permitiendo el flujo de individuos dispersantes e inmigrantes.
Incluso en el campo de la gestión de fauna, la biología molecular está encontrando aplicación. Recientemente se ha llevado a cabo un análisis de estado genético y grados de hibridación de las poblaciones de perdiz roja en toda la Península Ibérica [Arruga et al., Cytogenetics Cell Genet, 74: 228 (1997)]. Se trata de un tema muy importante debido a la pérdida progresiva de variabilidad y del genoma silvestre de las poblaciones salvajes debido a las continuas sueltas de perdices de granja. Con el conejo se ha hecho algo similar [Van der Loo et al., Gibier Faune Sauvage, 14(3): 427-449 (1997)] y además se trabaja en la generación de vacunas recombinantes para las distintas enfermedades que sufre esta especie, usando técnicas de PCR entre otras [Guittre et al., Gibier Faune Sauvage, 14(3): 507-509 (1997)].
En el campo de la Biogeografía las técnicas moleculares también están ganando cada vez más adeptos. Recientemente se ha descrito una nueva especie de sapo partero (Alytes dickhilleni) endémica de las sierras béticas como fruto de una investigación sobre la diversidad genética de las poblaciones ibéricas de Alytes [Arntzen & García-Paris, Bijdr. Dierk.,65(1): 5-34 (1995)]. También se ha delimitado la distribución geográfica y las zonas de solapamiento de posibles subespecies de las diferentes poblaciones de A. obstetricans de acuerdo con un análisis de proteínas enzimáticas por electroforesis [García-Paris, Rev. Esp. Herp., 9: 133-138 (1995)].
Existen muchos más ejemplos, tales como: análisis comparativos de la distribución de plantas de acuerdo con análisis morfológicos y del DNA cloroplastidial [Fangan & Nordal,Journal of Biogeography, 20(1): 55-62 (1993)]; estudio de las rutas de migración de la tortuga boba (Caretta caretta) usando marcadores moleculares en el DNA mitocondrial [Bowen et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 92: 3731-3734 (1995)]; estudios de la variabilidad de aloenzimas y factores determinantes para la conservación en comunidades de mamíferos [Tiedemann et al., Biodiversity Letters, 3(3): 81-91 (1996)]; o incluso técnicas moleculares aplicadas a la biogeografía insular de MacArthur & Wilson con una especie de colibrí [Diamond, Nature, 374: 765-766 (1995)].
La diversidad de especies y la distribución de una biota refleja la historia de unas respuestas evolutivas a cambios de hábitat producidos por la actividad geológica. Las secuencias de DNA de un taxón pueden ser usadas para inferir la especiación y la biogeografía histórica y ecológica del mismo [Riddle, Trends in Ecology and Evolution, 11(5): 207-211, (1996)]; o para determinar si los patrones de distribución son debidos a procesos de vicarianza o dispersión [Lamb et al., Journal of Mammalogy, 78(1): 117-133, (1997)].
Recientemente un equipo de investigación italiano ha revisado la filogenia de las perdices del Género Alectoris y llevado a cabo inferencias sobre la biogeografía histórica del taxón [Randi et al., Abstract Booklet XXIIIrd IUGB Congress, (1997)]. Para ello han analizado secuencias de tres genes presentes en el DNA mitocondrial (el citocromo b, la subunidad 5 de la NADH deshidrogenasa y la región controladora D-loop).
Se trata de un buen ejemplo de cómo, a partir de una hipótesis evolutiva inferida por técnicas moleculares, se reconstruye un proceso que dió lugar al patrón biogeográfico actual del taxón y que es consistente con la información geológica y paleontológica conocida. Además, se realizan predicciones para las especies no analizadas. Este trabajo es una continuación de su línea de investigación, y viene a confirmar los resultados que ya obtuvieron con el análisis de proteínas por electroforesis [Randi et al., The Auk, 109(2): 358-367, (1992)] para el mismo grupo de gallináceas y para todas las Phaisianidae en general [Randi et al., Biochemical Systematics and Ecology, 19(3): 213-221, (1991)].
El Género Alectoris consta en el paleártico de siete especies (A. rufa, A. chukar, A. graeca, A. magna, A. philbyi, A. melanocephala y A. barbara), todas ellas muy similares morfológicamente, diferenciándose únicamente por el patrón de plumaje del rostro y la garganta. Presentan áreas de distribución alopátridas, excepto A. melanocephala y A. philbyi, que son simpátridas, pero se excluyen al explotar ambientes ecológicos diferentes. Existen varias zonas de parapatría entre algunas de las especies, en alguna de las cuales se produce hibridación de forma natural. Este patrón de alopatría dominante, hibridación natural en zonas de contacto de las distribuciones, similitud morfológica y exclusión ecológica en las zonas de simpatría, ha sido usado como base de la hipótesis de que el género es de reciente radiación e incompleta especiación [Blondel, Biogeographie evolutive, (1988)].
El equipo del Profesor Randi pone a prueba con las técnicas moleculares las hipótesis evolutivas existentes para el géneroAlectoris. En estas hipótesis se propone la existencia de tres superespecies o formas ancestrales a partir de las cuales surgieron los linajes de las especies actuales.
La principal divergencia entre estas hipótesis radica en la discusión sobre el origen de A. rufa. Para algunos autores [Watson,Evolution, 16: 11-19 (1962)] esta especie se originó a partir de poblaciones de A. barbara (una especie que se distribuye actualmente por todo el norte de Africa) que cruzarían el estrecho de Gibraltar y quedarían aisladas. De ser cierta esta hipótesis, barbara y rufa estarían muy cercanas filogenéticamente. Este autor propuso dos superespecies, una que incluía a rufa, barbara,chukar, philbyi; y otra que incluía a graeca y magna.
Para otros autores, A. rufa formaría parte de un mismo linaje con graeca y chukar, pero no con barbara ni con philbyi, por lo que rufa no pudo originarse a partir de barbara, sino de una forma ancestral chukar [Spano, Ann. Mus. Civ. Stor. Nat. Genova,80: 286-293 (1975)], o de una forma ancestral graeca [Bernard-Laurent, Gibier Faune Sauvage, 2: 79-96 (1984)].
Usando matrices de distancias génicas, los autores construyeron un dendrograma que relacionaba las 4 especies analizadas (barbara, rufa, graeca y chukar). A la vez, realizaron un análisis cladista, generando árboles filogenéticos hasta obtener el más parsimonioso, usando como grupos externos a Perdix perdix y Phaisanus colchicus. La conclusión fue que A. rufa y A. graecaeran grupos hermanos que tenían un ancestral común con A. chukar, y ésta a su vez con A. barbara. Los resultados permitían corroborar la hipótesis de Bernard-Laurent y refutar la de Watson, ambas construídas con criterios morfológicos.
Las distancias génicas encontradas sugerían que las especies de Alectoris no se originaron todas de forma contemporánea, a partir de la fragmentación de la población de un ancestral común, sino al menos a partir de tres olas de especiación alejadas en el tiempo.
En un intento de calibrar el reloj molecular y datar la divergencia genética, los autores proponen el valor de 22,9 millones de años como equivalente a una unidad de distancia génica para este taxón. Según esto y las evidencias fósiles y paleobiogeográficas, construyen una hipótesis de biogeografía histórica del taxón, que además explica las preferencias ecológicas de estas especies por los espacios abiertos.
Hace 6 millones de años surgieron dos linajes de Alectoris, el de chukar y el de barbara, a partir de un ancestral común, como consecuencia del cambio climático que favoreció la extensión del bioma estepárico, la aridez y la desecación y desaparición del estrecho de Gibraltar. Este clima árido favoreció la dispersión de especies adaptadas a la estepa como éstas. Casi al mismo tiempo, la formación de la cordillera de los Cárpatos creó una barrera este-oeste en Europa central que separó el Mediterráneo del mar Sarmático (una extensión del antiguo mar Caspio) y probablemente dividió la población ancestral. El linaje barbara se extendió hacia el oeste, por el litoral mediterráneo africano, especiándose y originando abarbara y melanocephala. Mientras, el linaje chukar se extendió hacia el este, por el litoral del Sarmático. A. barbara cruzaría eventualmente el estrecho, lo cual explica la existencia de fósiles de esta especie en Francia, razón por la cual Watson había supuesto que era el ancestral de A. rufa.
Hace 4 millones de años, el ancestral chukar se dispersó hacia el oeste de Europa, dando lugar al linaje graeca-rufa tras la barrera de los Cárpatos. Tan sólo hace 1,8 millones de años, al principio de las glaciaciones pleistocénicas, la población del ancestral graeca-rufa se fragmentó, originándose las dos especies (al tiempo que se extinguía barbara en Francia) gracias a las contracciones del hábitat estepárico debidas a los cambios climáticos glaciares. El calentamiento postglaciar y la deforestación que sufrió Europa en el Holoceno favorecieron la expansión por toda la cuenca mediterránea de las especies actuales de chukar, graeca y rufa, hasta el punto de contactar las poblaciones en los bordes de sus áreas de distribución.
Según este modelo, la especie graeca nunca alcanzó Asia central, zona de distribución de chukar y magna, por lo que la superespecie de Watson graeca-magna no puede ser cierta, y de hecho aún no se han encontrado fósiles de graeca en esta zona. La especie magna surgiría de la fragmentación de la población ancestral de chukar en su primera expansión desde el este de Europa hacia Asia. El parecido en el plumaje entre magna y graeca es más resultado de una congervencia que de un ancestral común.
Las dos especies simpátridas, philbyi y melanocepahala, se originarían durante la primera ola de especiación, la primera a partir del linaje chukar y la segunda del linaje barbara. Entrarían en contacto en la zona de la península arábiga, evolucionando hacia una exclusión ecológica que permitiese su simpatría.
La inclusión en el análisis molecular de estas tres especies habrá de confirmar en un futuro si estas últimas predicciones son ciertas o no.
La biología molecular también está teniendo su aplicación en el campo de la Biología de la Conservación. El uso de marcadores moleculares, la técnica del "DNA-fingerprinting", el análisis de aloenzimas, los análisis RFLP, la secuenciación, el análisis de microsatélites o la PCR, permiten la identificación individual en especies amenazadas, análisis de viabilidad poblacional y variabilidad genética de poblaciones, o determinar parentescos, filogenias, grados de hibridación o introgresión y establecer así unidades de conservación de acuerdo con la estructura genética espacial (geográfica) de las poblaciones y sus grados de heterozigosidad e hibridación. Hay dos ejemplos clásicos en este campo.
Uno es el caso del topillo Geomys colonus, considerado una especie en peligro de extinción, y que tras un análisis RFLP de DNA mitocondrial resultó ser genéticamente indistinguible de las poblaciones más cercanas, las cuales estaban incluídas en una especie diferente (G. pinetis). Otro es el del tuátara neozelandés (Sphenodon spp.), para el que se pensaba que todas las poblaciones pertenecían a una misma especie. Tras el análisis genético resultó que había dos especies, una de las cuales estaba al borde de la extinción y requería medidas urgentes de conservación.
En biología de la conservación son especialmente importantes las pequeñas poblaciones. Estas poblaciones, normalmente aisladas a consecuencia de la fragmentación y la pérdida de hábitat, no sólo son más susceptibles por su tamaño a los disturbios ambientales o antropogénicos, sino que además corren el riesgo de sufrir fenómenos genéticos (deriva génica, cuellos de botella, etc...) que las lleven a la pérdida de variabilidad genética y por estocasticidad ambiental a la extinción. La tendencia de una población pequeña a extinguirse se conoce como efecto vórtice [Primack, Essentials of Conservation Biology, Sinauer Ass. (1993)]. Otro ejemplo clásico es la población de leones del cráter del Ngorongoro (Tanzania), que tras sufrir un cuello de botella en 1962 quedó reducida a 9 hembras y un macho. En 1990 la población tenía un tamaño en torno a 100 individuos aproximadamente, pero era poco viable: había reducido su variabilidad génica, su éxito reproductivo era bajo y además los machos presentaban graves anomalías espermáticas.
En las pequeñas poblaciones es importante determinar la población mínima para mantener la variabilidad genética y así el tamaño mínimo de población viable. Este es, por ejemplo, uno de los principales problemas del oso pardo (Ursus arctos) en la cordillera Cantábrica y en Pirineos. En la cordillera Cantábrica existen dos núcleos poblacionales de entre 20 y 60 osos separados y aislados. En Pirineos la población no alcanza los 10 ejemplares, también en dos núcleos aislados. Una población de oso de 30 a 70 individuos se extinguirá con un 95% de probabilidad en menos de 100 años según la calidad del medio que ocupe, las características genéticas de los individuos y la demografía de la población [Clevenger & Purroy, Ecología del oso pardo en España, Monografías MNCN-CSIC, (1991)].
Los tamaños mínimos pueden ser estimados combinando técnicas moleculares y estudios de selección y uso del hábitat. En el caso del rinoceronte africano (Diceros bicornis) se ha comprobado analizando la frecuencia de alelos del DNA mitocondrial que, aunque su tamaño es de unos 2000 ejemplares, la fragmentación de la población en unas 75 subpoblaciones aisladas ha provocado una pérdida importante de variabilidad [Ashley et al., Conservation Biology, 4: 71-77 (1990)]. Actualmente es necesario una gestión de la población para incrementar la variabilidad génica y una gestión del hábitat para conectar las subpoblaciones aisladas permitiendo el flujo de individuos dispersantes e inmigrantes.
Incluso en el campo de la gestión de fauna, la biología molecular está encontrando aplicación. Recientemente se ha llevado a cabo un análisis de estado genético y grados de hibridación de las poblaciones de perdiz roja en toda la Península Ibérica [Arruga et al., Cytogenetics Cell Genet, 74: 228 (1997)]. Se trata de un tema muy importante debido a la pérdida progresiva de variabilidad y del genoma silvestre de las poblaciones salvajes debido a las continuas sueltas de perdices de granja. Con el conejo se ha hecho algo similar [Van der Loo et al., Gibier Faune Sauvage, 14(3): 427-449 (1997)] y además se trabaja en la generación de vacunas recombinantes para las distintas enfermedades que sufre esta especie, usando técnicas de PCR entre otras [Guittre et al., Gibier Faune Sauvage, 14(3): 507-509 (1997)].
En el campo de la Biogeografía las técnicas moleculares también están ganando cada vez más adeptos. Recientemente se ha descrito una nueva especie de sapo partero (Alytes dickhilleni) endémica de las sierras béticas como fruto de una investigación sobre la diversidad genética de las poblaciones ibéricas de Alytes [Arntzen & García-Paris, Bijdr. Dierk.,65(1): 5-34 (1995)]. También se ha delimitado la distribución geográfica y las zonas de solapamiento de posibles subespecies de las diferentes poblaciones de A. obstetricans de acuerdo con un análisis de proteínas enzimáticas por electroforesis [García-Paris, Rev. Esp. Herp., 9: 133-138 (1995)].
Existen muchos más ejemplos, tales como: análisis comparativos de la distribución de plantas de acuerdo con análisis morfológicos y del DNA cloroplastidial [Fangan & Nordal,Journal of Biogeography, 20(1): 55-62 (1993)]; estudio de las rutas de migración de la tortuga boba (Caretta caretta) usando marcadores moleculares en el DNA mitocondrial [Bowen et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 92: 3731-3734 (1995)]; estudios de la variabilidad de aloenzimas y factores determinantes para la conservación en comunidades de mamíferos [Tiedemann et al., Biodiversity Letters, 3(3): 81-91 (1996)]; o incluso técnicas moleculares aplicadas a la biogeografía insular de MacArthur & Wilson con una especie de colibrí [Diamond, Nature, 374: 765-766 (1995)].
La diversidad de especies y la distribución de una biota refleja la historia de unas respuestas evolutivas a cambios de hábitat producidos por la actividad geológica. Las secuencias de DNA de un taxón pueden ser usadas para inferir la especiación y la biogeografía histórica y ecológica del mismo [Riddle, Trends in Ecology and Evolution, 11(5): 207-211, (1996)]; o para determinar si los patrones de distribución son debidos a procesos de vicarianza o dispersión [Lamb et al., Journal of Mammalogy, 78(1): 117-133, (1997)].
Recientemente un equipo de investigación italiano ha revisado la filogenia de las perdices del Género Alectoris y llevado a cabo inferencias sobre la biogeografía histórica del taxón [Randi et al., Abstract Booklet XXIIIrd IUGB Congress, (1997)]. Para ello han analizado secuencias de tres genes presentes en el DNA mitocondrial (el citocromo b, la subunidad 5 de la NADH deshidrogenasa y la región controladora D-loop).
Se trata de un buen ejemplo de cómo, a partir de una hipótesis evolutiva inferida por técnicas moleculares, se reconstruye un proceso que dió lugar al patrón biogeográfico actual del taxón y que es consistente con la información geológica y paleontológica conocida. Además, se realizan predicciones para las especies no analizadas. Este trabajo es una continuación de su línea de investigación, y viene a confirmar los resultados que ya obtuvieron con el análisis de proteínas por electroforesis [Randi et al., The Auk, 109(2): 358-367, (1992)] para el mismo grupo de gallináceas y para todas las Phaisianidae en general [Randi et al., Biochemical Systematics and Ecology, 19(3): 213-221, (1991)].
El Género Alectoris consta en el paleártico de siete especies (A. rufa, A. chukar, A. graeca, A. magna, A. philbyi, A. melanocephala y A. barbara), todas ellas muy similares morfológicamente, diferenciándose únicamente por el patrón de plumaje del rostro y la garganta. Presentan áreas de distribución alopátridas, excepto A. melanocephala y A. philbyi, que son simpátridas, pero se excluyen al explotar ambientes ecológicos diferentes. Existen varias zonas de parapatría entre algunas de las especies, en alguna de las cuales se produce hibridación de forma natural. Este patrón de alopatría dominante, hibridación natural en zonas de contacto de las distribuciones, similitud morfológica y exclusión ecológica en las zonas de simpatría, ha sido usado como base de la hipótesis de que el género es de reciente radiación e incompleta especiación [Blondel, Biogeographie evolutive, (1988)].
El equipo del Profesor Randi pone a prueba con las técnicas moleculares las hipótesis evolutivas existentes para el géneroAlectoris. En estas hipótesis se propone la existencia de tres superespecies o formas ancestrales a partir de las cuales surgieron los linajes de las especies actuales.
La principal divergencia entre estas hipótesis radica en la discusión sobre el origen de A. rufa. Para algunos autores [Watson,Evolution, 16: 11-19 (1962)] esta especie se originó a partir de poblaciones de A. barbara (una especie que se distribuye actualmente por todo el norte de Africa) que cruzarían el estrecho de Gibraltar y quedarían aisladas. De ser cierta esta hipótesis, barbara y rufa estarían muy cercanas filogenéticamente. Este autor propuso dos superespecies, una que incluía a rufa, barbara,chukar, philbyi; y otra que incluía a graeca y magna.
Para otros autores, A. rufa formaría parte de un mismo linaje con graeca y chukar, pero no con barbara ni con philbyi, por lo que rufa no pudo originarse a partir de barbara, sino de una forma ancestral chukar [Spano, Ann. Mus. Civ. Stor. Nat. Genova,80: 286-293 (1975)], o de una forma ancestral graeca [Bernard-Laurent, Gibier Faune Sauvage, 2: 79-96 (1984)].
Usando matrices de distancias génicas, los autores construyeron un dendrograma que relacionaba las 4 especies analizadas (barbara, rufa, graeca y chukar). A la vez, realizaron un análisis cladista, generando árboles filogenéticos hasta obtener el más parsimonioso, usando como grupos externos a Perdix perdix y Phaisanus colchicus. La conclusión fue que A. rufa y A. graecaeran grupos hermanos que tenían un ancestral común con A. chukar, y ésta a su vez con A. barbara. Los resultados permitían corroborar la hipótesis de Bernard-Laurent y refutar la de Watson, ambas construídas con criterios morfológicos.
Las distancias génicas encontradas sugerían que las especies de Alectoris no se originaron todas de forma contemporánea, a partir de la fragmentación de la población de un ancestral común, sino al menos a partir de tres olas de especiación alejadas en el tiempo.
En un intento de calibrar el reloj molecular y datar la divergencia genética, los autores proponen el valor de 22,9 millones de años como equivalente a una unidad de distancia génica para este taxón. Según esto y las evidencias fósiles y paleobiogeográficas, construyen una hipótesis de biogeografía histórica del taxón, que además explica las preferencias ecológicas de estas especies por los espacios abiertos.
Hace 6 millones de años surgieron dos linajes de Alectoris, el de chukar y el de barbara, a partir de un ancestral común, como consecuencia del cambio climático que favoreció la extensión del bioma estepárico, la aridez y la desecación y desaparición del estrecho de Gibraltar. Este clima árido favoreció la dispersión de especies adaptadas a la estepa como éstas. Casi al mismo tiempo, la formación de la cordillera de los Cárpatos creó una barrera este-oeste en Europa central que separó el Mediterráneo del mar Sarmático (una extensión del antiguo mar Caspio) y probablemente dividió la población ancestral. El linaje barbara se extendió hacia el oeste, por el litoral mediterráneo africano, especiándose y originando abarbara y melanocephala. Mientras, el linaje chukar se extendió hacia el este, por el litoral del Sarmático. A. barbara cruzaría eventualmente el estrecho, lo cual explica la existencia de fósiles de esta especie en Francia, razón por la cual Watson había supuesto que era el ancestral de A. rufa.
Hace 4 millones de años, el ancestral chukar se dispersó hacia el oeste de Europa, dando lugar al linaje graeca-rufa tras la barrera de los Cárpatos. Tan sólo hace 1,8 millones de años, al principio de las glaciaciones pleistocénicas, la población del ancestral graeca-rufa se fragmentó, originándose las dos especies (al tiempo que se extinguía barbara en Francia) gracias a las contracciones del hábitat estepárico debidas a los cambios climáticos glaciares. El calentamiento postglaciar y la deforestación que sufrió Europa en el Holoceno favorecieron la expansión por toda la cuenca mediterránea de las especies actuales de chukar, graeca y rufa, hasta el punto de contactar las poblaciones en los bordes de sus áreas de distribución.
Según este modelo, la especie graeca nunca alcanzó Asia central, zona de distribución de chukar y magna, por lo que la superespecie de Watson graeca-magna no puede ser cierta, y de hecho aún no se han encontrado fósiles de graeca en esta zona. La especie magna surgiría de la fragmentación de la población ancestral de chukar en su primera expansión desde el este de Europa hacia Asia. El parecido en el plumaje entre magna y graeca es más resultado de una congervencia que de un ancestral común.
Las dos especies simpátridas, philbyi y melanocepahala, se originarían durante la primera ola de especiación, la primera a partir del linaje chukar y la segunda del linaje barbara. Entrarían en contacto en la zona de la península arábiga, evolucionando hacia una exclusión ecológica que permitiese su simpatría.
La inclusión en el análisis molecular de estas tres especies habrá de confirmar en un futuro si estas últimas predicciones son ciertas o no.
No hay comentarios:
Publicar un comentario