Estructura genética espacio-temporal y barreras reproductivas en el género paracentrotus (echinodermata: echinoidea)
- Autores: Isabel Calderón Moreno
- Directores de la Tesis: Xavier Turón Barrea (dir. tes.), Cruz Palacín Cabañas (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2009
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: María Jesús Uriz Lespe (presid.), Susanna López-Legentil (secret.), Sergio Stefanni (voc.)
- Materias:
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- Resumen
1.INTRODUCCIÓN El género Paracentrotus (Echinodermata: Echinoidea) está constituido por dos especies, P. lividus (Lamarck 1816) y P. gaimardi (Blainville 1825). Estas dos especies presentan una distribución alopátrica en torno a potenciales barreras a la dispersión. Por una parte, P. lividus presenta una distribución atlanto-mediterránea, a ambos lados del frente Almería-Orán, el cual potencialmente podría constituir una barrera para la dispersión larvaria. Por el contrario, y a pesar de la controversia taxonómica que existe sobre esta especie, se acepta que P. gaimardi está presente en ambas costas del océano Atlántico, cuyas orillas están situadas a más de 3000 km de distancia. Curiosamente, las dos especies del género Paracentrotus presentan un alto grado de polimorfismo de color, y es frecuente encontrar individuos de distintos morfotipos (rosa, marrón, gris, verde y negro) viviendo en simpatría en las mismas localidades. Por último, ambas especies son comestibles y P. lividus presenta un elevado interés comercial. En los últimos años, se han realizado gran cantidad de estudios sobre P. lividus, y en la actualidad se dispone de gran cantidad de información sobre su biología, ecología, desarrollo, etc. Sin embargo, sólo reciente se han llevado acabo algunos estudios destinados a conocer la estructura de esta especie. Por el contrario, la especie hermana P. gaimardi ha recibido mucha menor atención y sólo existen algunos estudios preliminares sobre el área de repartición y las preferencias alimentarias de esta especie.
2. OBJETIVOS El objetivo de este estudio fue determinar la estructura genética de poblaciones de erizos del género Paracentrotus a distintas escalas espacio-temporales, con especial atención a las barreras presentes e históricas que pueden determinar la estructura de poblaciones que observamos en la actualidad. Además, se estudiaron potenciales barreras reproductivas, que pueden estar implicadas en procesos de especiación y que por tanto tienen un enorme interés evolutivo. Más específicamente, los objetivos de este trabajo fueron:
- Estudiar la estructura genética del erizo de mar común Paracentrotus lividus a lo largo de su área de distribución para determinar la capacidad de dispersión de esta especie; - Aislar marcadores microsatélites altamente variables para el estudio de la estructura temporal de Paracentrotus lividus a pequeña escala;
- Identificar el gen que codifica para la proteína bindina en Paracentrotus para conocer el modo de evolución de dicha proteína en este género y aplicarlo al estudio de la estructura espacio-temporal de poblaciones en P. lividus, en combinación con un gen mitocondrial;
- Establecer una correlación entre la variabilidad de color del erizo Paracentrotus gaimardi y la estructura genética detectada por marcadores moleculares con diferentes características evolutivas.
3. RESULTADOS Estructura espacial de poblaciones de Paracentrotus lividus Numerosos estudios han confirmado que muchas especies de invertebrados marinos presentan una marcada estructura genética a diferentes escalas, a pesar de un gran potencial de dispersión larvaria. En efecto, numerosos estudios han puesto de manifiesto que la historia de vida de las especies no constituye necesariamente un buen indicador de la estructura genética de las poblaciones. Por este motivo, es esencial analizar la estructura genética de poblaciones a la luz de factores históricos, climáticos, ambientales y demográficos, entre otros, para comprender las circunstancias evolutivas de las especies.
El primer objetivo de este trabajo fue determinar la estructura genética espacial de Paracentrotus lividus a lo largo de su área de distribución. Como consecuencia de la Crisis Salina del Mesiniense, las poblaciones de Paracentrotus lividus, así como de la mayoría de organismos que actualmente habitan la cuenca mediterránea, tienen una edad máxima de unos 5 millones de años, y posiblemente recolonizaron el Mediterráneo a partir del océano Atlántico tras la apertura del estrecho de Gibraltar, hace aproximadamente 5.33 millones de años. Nuestros resultados muestran que los cambios climáticos del Cuaternario probablemente produjeron grandes expansiones demográficas en las poblaciones del erizo de mar común, que habrían sido más intensa en el Mediterráneo. Además de estos factores históricos, en la actualidad el frente Almería-Orán representa un cambio de 1.4ºC de temperatura y 2 ppt de salinidad y constituye una barrera que dificulta el flujo de larvas de P. lividus entre ambas cuencas, lo que se refleja en la marcada estructura genética observada en las poblaciones de esta especie, asociada a dicho frente hidrológico. En conclusión, nuestros resultados demuestran que esta especie presenta una elevada capacidad de dispersión que resulta en una escasa diferenciación genética a grandes escalas espaciales, lo que sugiere que existe panmixia dentro de ambas cuencas, atlántica y mediterránea.
Estructura temporal de poblaciones de Paracentrotus lividus Sólo en los últimos años, diversos trabajos han puesto de manifiesto la necesidad de incorporar información temporal al estudio de la estructura de genética de las poblaciones bentónicas, reflejo de procesos que tienen lugar a escalas ecológicas. Para estudiar estos procesos, los siguientes dos capítulos de la tesis doctoral fueron dedicados al aislamiento de marcadores moleculares altamente variables (microsatélites) y de genes directamente implicados en el éxito de fertilización (bindina).
En primer lugar, se aislaron y se caracterizaron 9 marcadores microsatélites polimórficos en Paracentrotus lividus. Estos loci presentan un alto polimorfismo, lo que los convierte en marcadores ideales para estudios de procesos que tienen lugar a pequeñas escalas. Es importante resaltar que todos los loci aislados presentan una desviación significativa del equilibrio de Hardy-Weinberg, que pueden ser consecuencia de la acción de procesos demográficos sobre esta especie. El segundo marcador aislado fue el gen que codifica para la proteína espermática bindina en el género Paracentrotus, implicada en el reconocimiento de gametos en el agua en erizos de mar, que juega un papel esencial en la fusión y la especificidad de las interacciones huevo-esperma. Nuestros resultados ponen de manifiesto que la proteína bindina en el género Paracentrotus presenta dos regiones codificantes separadas por un intrón localizado en una posición muy conservada. El primer exón incluye una región hipervariable, y el segundo exón incluye un núcleo de 55 aa muy conservado, probablemente implicado en el reconocimiento de gametos en el agua. Bindina en el género Paracentrotus contiene varios motivos ricos en glicina, implicados probablemente en la especificidad del reconocimiento entre gametos. Los datos obtenidos muestran que en esta proteína la selección positiva actúa sobre 12 de los aproximadamente 260 aminoácidos situados en las dos regiones que flanquean al núcleo conservado. Estos dos marcadores presentan por tanto características ideales para realizar estudios a pequeñas escalas.
La mayoría de erizos de mar se reproducen mediante fecundación externa, lo que a menudo resulta en tasas variables de fertilización y una alta mortalidad juvenil. Esto provoca una gran varianza en el éxito reproductor que puede reflejarse incluso entre generaciones consecutivas. La variabilidad de los marcadores anteriormente aislados nos permitió determinar la estructura genética temporal de Paracentrotus lividus en una localidad del Mediterráneo Noroccidental. Para este estudio, se recogieron muestras en la localidad de Tossa de Mar en dos años consecutivos y se dataron los erizos en función del patrón de bandas anuales de crecimiento visible en la cara interna de los caparazones. Los datos moleculares obtenidos en este estudio reflejan por una parte una elevada diversidad genética de cada una de las cohortes estudiadas, así como de la población adulta de Tossa de Mar y de otras localidades de la costa mediterránea, constante en el tiempo y en el espacio y, por otra parte, una ausencia de diferenciación en las frecuencias alélicas de las cohortes basadas en marcadores neutros. Los resultados obtenidos sugieren además que no existe una marcada estructura genética a la escala temporal analizada, basada en marcadores microsatélites y en secuencias de citocromo oxidasa I mitocondrial, así como en las posiciones neutras del gen nuclear que codifica para la proteína espermática de reconocimiento entre gametos bindina (ver más abajo).
Barreras reproductivas en Paracentrotus El reconocimiento de gametos en el agua es una etapa clave en el éxito reproductor de organismos con fecundación externa, y puede jugar un papel importante en los procesos de especiación. En análisis de un fragmento del exón 2 del gen de la bindina anteriormente aislado revela una elevada diversidad genética dentro de las cohortes y gran diferenciación entre ellas. Pese al elevado polimorfismo detectado, la mayoría de las cohortes analizadas presentan una desviación del equilibrio de HW, con exceso de homozigotos, como ya se ha detectado para otros genes nucleares en P. lividus. Curiosamente, nuestros resultados demuestran que los 3 codones sometidos a selección positiva que se encuentran en el fragmento analizado son responsables de gran parte de la diversidad detectada, así como de la mayor parte de la diferenciación observada entre cohortes. En efecto, cuando dichos codones son eliminados de los análisis, la diferenciación entre cohortes (debida exclusivamente a posiciones neutras) disminuye, lo que no ocurre cuando 3 tripletes variables son eliminados aleatoriamente. Además, algunas de las posiciones sometidas a selección presentan tasas de homozigosis el doble de elevadas de lo esperado. A la vista de estos resultados y dada la importancia funcional de la proteína bindina, cabe hipotetizar que estos codones sometidos a selección pueden tener un efecto sobre el éxito reproductor de P. lividus, aunque hasta el momento no existen pruebas al respecto.
En lo que respecta a Paracentrotus gaimardi, se analizaron tres marcadores moleculares para determinar la relación entre los diferentes morfotipos de color y la estructura genética subyacente. El gen de bindina, así como el gen de la ATPasa mitocondrial y el intrón de la histona, muestran una elevada diversidad genética dentro de cada morfotipo. En lo que respecta a la diferenciación entre colores, las frecuencias alélicas de ATPasa en el morfotipo rosa son significativamente diferentes de las observadas en los demás colores. Sin embargo, esta diferenciación no se manifiesta en el análisis del intrón de la histona. En lo que respecta a bindina, la diferenciación basada en frecuencias genotípicas pone de manifiesto la existencia de diferencias significativas entre todos los morfotipos. De la misma manera, los resultados de cruzamientos experimentales entre distintos morfotipos de color en P. gaimardi muestran una pequeña reducción en el éxito reproductor relativo a los cruces entre individuos del mismo morfotipo (C.R.R. Ventura, resultados no publicados). A pesar del carácter preliminar de estos resultados, los datos obtenidos sugieren que existe cierto grado de apareamiento no aleatorio entre morfotipos.
4. CONCLUSIONES ¿ Paracentrotus lividus presenta gran capacidad de dispersión y el frente hidrológico Almería-Orán constituye una barrera al flujo de larvas entre las cuencas mediterránea y atlántica. Esta especie probablemente colonizó el Mediterráneo a partir del océano Atlántico tras la apertura del estrecho de Gibraltar después de la Crisis Salina del Mesiniense. Nuestros resultados muestran evidencias de expansiones demográficas, probablemente relacionadas con los cambios climáticos del Cuaternario.
¿ Los marcadores nucleares identificados por primera vez en P. lividus (9 marcadores microsatélites y el gen que codifica para le proteína bindina) presentan una grado de variabilidad adecuado para el estudio de procesos a pequeñas escalas espaciales y temporales.
¿ P. lividus presenta con una desviación significativa del equilibrio de HW debido probablemente a cierto grado de subestructuración intra-poblacional.
¿ P. lividus no presenta estructura temporal a escalas de relevancia ecológica basado en el análisis de marcadores microsatélites, mitocondriales y en las posiciones neutras de bindina. Sin embargo, las posiciones seleccionadas positivamente en bindina dan una clara señal de diferenciación entre cohortes, indicando posiblemente un apareamiento preferencial entre tipos de bindina compatibles.
¿ En P. gaimardi, la diferenciación detectada entre todos los morfotipos de color basada en el gen que codifica para la proteína bindina sugiere que existe un apareamiento no aleatorio, que probablemente favorezca las reproducción entre individuos del mismo color.
