Genética de poblaciones de invertebrados del Océano Austral

En bivalvio : Mytilus spp del archipielago de

Kerguelen

En echinoidos : Abatus agassizii en Bahia Fildes

(Rey Jorge, Islas Shetland)

POBLACIÓN un conjunto de individuos que pertenecen a una especie dotada de reproducción sexual que constituyen una unidad reproductiva, es decir, que se reproducen mediante cruzamientos entre sus miembros.

Genética de poblaciones

1 : Medir la variación genética en las poblaciones naturales y describir los patrones de organización de la variación 2 : Explicar la origen, el mantenimiento y la evolución de la variación genética por efecto de las fuerzas evolutivas

Definiciones

Gen : una región del ADN que controla una caracteristica hereditaria. una secuencia traducida a una proteina o ARN. Los genes son unidades funcionales del ADN celular

Alelo : una de las formas variantes de un gen en un locus o de un marcador particular en un cromosoma

Locus viene del latín locus (plural: loci) que quiere decir lugar.

Estructuración espacial de la diversidad genética

ADN Nuclear Diploido

mtDNA

Individual

Population

Species

ADN citoplasmico (mitocondrial) Haploido

Estructuración espacial de la diversidad genética

Genotipos y Fenotipos

• Fenotipo = una característica observable de un individuo

• Genotipo = par de alelos presentes en un individuo diploide

• Homocigoto = genotipo compuesto por 2 alelos idénticos (YY o yy)

• Heterocigoto = genotipo compuesto por 2 alelos diferentes (Yy)

MODELO NULO - Población en equilibrio de Hardy-Weinberg (1908)

Población en PANMIXIA Tamaño infinitamente grande Sin mutación, migración ni selección natural

Las frecuencias alélicas (génicas) y genotípicas CONSTANTES de generación en generación, y las últimas (frec. Genotípicas) tendrán una relación directa con las frec. alélicas.

AA Aa aa

p2 2pq q2

FUERZAS EVOLUTIVAS

Selección natural

Flujo genético

DIVERSIDAD

GENETICA

(polimorfismo)

Mutaciones

Deriva genética

LAS MUTACIONES

El origen de la variación genética

Alteración o cambio en la información genética

• Mutaciones génicas o moleculares

• Mutaciones cromosómicas

• Mutaciones cariotípicas o genómicas

Tipos de mutación

Mutaciones génicas o moleculares

Mutación por sustitución de bases

Mutaciones génicas o moleculares

Mutación por pérdida de nucleótidos o deleción

Mutación por inserción de nuevos nucleótidos

Mutaciones cromosómicas

Apareamiento desigual

Mutaciones cariotípicas o genómicas

Son las mutaciones que afectan al número de cromosomas o todo el genoma

• Poliploidía: Es la mutación que consiste en el aumento del número normal de “juegos de cromosomas”.

• Haploidía: Son las mutaciones que provocan una disminución en el número de juegos de cromosomas.

• Aneuploidía: Son las mutaciones que afectan sólo a un número de ejemplares de un cromosoma o más, pero sin llegar a afectar al juego completo ej. Síndrome de Down.

Causas de las mutaciones

• Mutaciones naturales o espontáneas: ocurren en condiciones normales de

crecimiento y del ambiente

• Mutaciones inducidas: provocadas artificialmente por algún agente exógeno

generalmente conocido llamado agente mutágeno. Entre los agentes mutágenos

encontramos:

• Agentes físicos (rayos ultravioleta, los rayos X, fuentes radioactivas).

• Agentes químicos

• Agentes biológicos

Efectos patológicos de las mutaciones

Synpolydactyly phenotype with mutation in HOXD13 in heterozygous (left) and homozygous (hand and foot) individuals.

Efecto Beneficioso de las mutaciones

Ejemplo de mutaciones adaptatives: Hb de gansos

Ganso Hindú (Anser indicus)

PIUQUÉN (Chloephaga melanoptera)

Vive en Asia y puede volar hasta 9,000 m donde la presión partial de O2 corresponde al 30% del valor normal (nivel del mar)

Vive en la zona alta de los Andes, alrededor de 4,000-5,000 m (pp O2 <60% valor normal)

Bar-headed Goose -chain: Pro119-A Ala119-A

Andean Goose -chain: Leu55-A Ser55-A

Mutaciones en las cadenas y aumenta la afinidad al O2

FUERZAS EVOLUTIVAS

Selección natural

Flujo genético

DIVERSIDAD

GENETICA

(polimorfismo)

Mutaciones

Deriva genética

DERIVA GENETICA

Fluctuación aleatoria de las frecuencias alélicas como consecuencia del tamaño poblacional finito. • Esto se da porque en cada generación, hay un MUESTREO AL AZAR de los gametos para formar la generación siguiente. • La deriva puede conducir a la evolución sin selección, ya que los cambios que promueve son simplemente producto del azar.

El efecto de la deriva depende del tamaño de la población

Propiedades de la deriva genética

1. No tiene dirección

2. Su intensidad es inversamente proporcional al tamaño de la población

3. Provoca la pérdida y la fijación de alelos

Efectos Mutación + deriva = polimorfismo

FUERZAS EVOLUTIVAS

Selección natural

Flujo genético

DIVERSIDAD

GENETICA

(polimorfismo)

Mutaciones

Deriva genética

La Selección

Tipos de selección natural

• Selección direccional

• Selección estabilizadora

• Selección disruptiva

estabilizadora direccional disruptiva

Selección direccional

Eliminados

Eliminados

Selección estabilizadora

Selección disruptiva

FUERZAS EVOLUTIVAS

Selección natural

Flujo genético

DIVERSIDAD

GENETICA

(polimorfismo)

Mutaciones

Deriva genética

Dispersión – migración - flujo genético

migración

Flujo génico

Genética de poblaciones

1 : Medir la variación genética en las poblaciones naturales y describir los patrones de organización de la variación 2 : Explicar la origen, el mantenimiento y la evolución de la variación genética por efecto de las fuerzas evolutivas

En el ambiente marino el mantenimiento de genomas diferenciados en especies con larvas planktonicas, requiere mecanismos de aislamiento muy eficientes.

- Caso de una especie subantartica con larva planktonica: potencial de dispersión muy alto: Baja diferenciacion genética entre poblaciones vecinas

- Caso de una especie antartica incubante y con desarrollo directo: potencial de dispersión muy bajo: alta diferenciacion genética entre poblaciones vecinas

Estudio de genetica de población de Mytilus

del archipielago de Kerguelen

K. Gérard, N. Bierne, C. Roby, J.-P. Féral, A. Chenuil

Aislado

Varias barreras

- oceánicas

- batimétricas

- geográficas

El archipielago de Kerguelen

Fuertes vientos del Oeste

130 km de oeste a este

Origen volcanica

Costa muy tallada

Golfo de Morbihan

El archipielago de Kerguelen

Mytilus from Kerguelen

Mytilus desolationis (Lamy, 1936)

Mytilus edulis desolationis (Borsa, 2012)

Alto tamaño

poblacional

Adultos

Juveniles

Alta Fecondidad

Panmixia

Alto

Potencial de

dispersion

Fecondacion external

Reclutamiento

Metamorphosis

Trochophora

Veligera

Mytilus Life Cycle

Corrientes Costeras Complejas HOMOGENIZACION / AISLAMIENTO?

Hay diferenciacion de poblaciones de Mytilus en Kerguelen?

Analisis de genetica de poblacion usando 3 marcadores moleculares

Baja salinidad costera = Limita la mezcla de masas de agua AISLAMIENTO?

En este caso : - Barreras fisicas a flujo genico ? - Adaptacion a ambiente local?

Mytilus en Kerguelen

Glu-5’ Exon coding for an Adhesive Foot Protein (Inoue et al., 1995)

INDEL DIAGNOSTICO de las 3 especies Mytilus 3 alelos E, G, T

mac-1 1st intron of Mytilus Actin (Daguin, 2001 ; Bierne, 2002)

EN KERGUELEN : no hay poblacion pura alelos E y G de todas partes

EN KERGUELEN: (on agarosis) 2 tamanos allelicos A and C4.

Heterocigotos solo cerca de zonas hibridas

COI ADN mitochondrial : 83 sequences (Gerard et al. 2008)

Marcadores Molecular Kerguelen Mytilus

Sampling sites

29 sampling sites 27 to 130 indiv. (70)

Gulf of Morbihan

Kerguelen Mytilus

CO1: Secuencias de ADN mitocondrial: haplotipos

Glu-5’ y mac-1: Frecuencias alelicas

Tipo de datos

Diferenciacion entre localidadaes COI

West coast

North coast

Gulf of Morbihan

South coast

Missing haplotype

COI haplotype Network - 83 sequences

AMOVA no es significativa

No hay diferenciacion entre muestras de diferentes regiones

Solo 2 sitios diferenciados

Bajo nivel de diferenciacion genetica

Allele A

Allele C4

flujo genico

mac-1 Diferenciacion entre localidadaes

3 grupos de localidades

North-East / Gulf / South-West

Structura genetica

(a partir de 500 m)

Allele E

Allele G

Barrera fisica al flujo genico ?

Glu-5’ Diferenciacion entre localidades

Circulacion Oceanica Global

Glu-5’

Aislamiento por distancia a lo largo de la Costa Noreste

Eddies retaining larvae on the shelf and then

dragging them from a site to another on relatively

short distance ?

Lepidonothoten squamifrons (Koubbi et al. 2000)

- AMOVA 3 regiones North-East / Gulf / South-West:

Glu-5’: Fct: 0,07 ***

mac-1: NS

COI : NS

Glu-5’

- Power simulation for Global Fct of 0,07 (Glu-5’: 2500 genotypes)

mac-1 (1500 genotypes) : 92,9%

COI (83 seq): 99,5%

Existe un nivel de diferenciación genética mucho mas alto a Glu-5’

que a mac-1 y COI

Acaso esta diferenciacion se relaciona con algunas condiciones

ambientales ?

Diferenciacion entre localidades

6 Variables ambientales calitativas

Sustrato : sand / gravels / rocks/ blocks Pendiente: flat/ steep/ hangover

Proteccion : sheltered / exposed

Salinidad : freshwater / oceanic

Macrocystis : absence / presence

Region : gulf / north-east / south

Las 5 primeras variables estan correladas

Fondos planos arenosos estan generalmente en zonas

protegidas con menor salinidad y sin Macrocystis

Diferenciacion y Ambiente

Exposicion al oleaje

Associacion de variables con la frecuencia del allelo G (Glu-5’)

Diferenciacion y Ambiente

- Fst pareados calculados entre categorias de variable (Glu-5’)

Wave exposure: Sheltered / Exposed *** Salinity: Freshwater / Oceanic *** Macrocystis: Presence / absence ***

Fct: 0,024 *

- AMOVAs calculada entre categorias de variables (Glu-5’)

Macrocystis: Presence/absence

Ningun valor de Fst, o AMOVAs estuvieron significativos a mac-1 or COI

Diferenciacion y Ambiente

Conclusiones

1) Diferenciacion genetica entre 3 regiones geograficas

only at Glu-5’

Patron similar para Aulacomya ater regia (Blot et al. 1988)

Circulacion de masas de agua como barreras al flujo genico

2) Diferenciacion genetica a muy pequena escala (500 m)

Contradiccion a la hipotesis de barrera al flujo genico

Seleccion a Glu5’ : adaptacion a las condiciones locales

Presencia de Macrocystis, exposicion al oleaje y salinidad

3) Associacion del habitat al polimorfismo de Glu-5’

Diversidad genetica y diferenciación a pequeña escala

en Abatus agassizii (Mortensen, 1910)

Un erizo incubante de Bahia Fildes Isla Rey Jorge

Karin GERARD, Claudia MATURANA,

Andrea MARTINEZ, Angie DIAZ, Elie POULIN

The Challenger expedition (1872-1876)

Charles Wyville Thompson :

Predominancia de desarrollos no-pelagicos en el

Océano Austral

Abundancia de especies incubantes en los

invertebrados marinos de Antartica

78% de los echinoidos Antarticos son

incubantes

Abundancia de especies incubantes en los

invertebrados marinos de Antartica

Retencion de huevos

por la hembra

Desarrollo

protegido en

bolsillos

dorsales

La incubacion en las especies de Abatus

Desarrollo

directo

Genero Abatus: 11 especies. Endemicas de zonas Subantarcticas y Antarticas

Consecuencias de la incubacion para la genetica de poblacion ?

Alto tamaño

poblacional

Adultos

Juveniles

Alta Fecundidad

Panmixia

Alto

Potencial de

dispersion

Fecudacion externa

Reclutamiento

Metamorfosis Larva

Trocophore

Veligera

Larva

Tipico ciclo de vida de especies planktotrofica

Parches densos

Adultos

Juveniles

Alta fecundidad

Panmixia

Alto

Potencial de

dispersion

External Fertilization

Reclutamiento

Metamorfosis Larva

Trocophore

Veliger Larva

Internal

X X

X

??

??

Tipico ciclo de vida de especies planktotrofica

Adultes

Juveniles

High Fecundity

Panmixia

External Fecundacion

Reclutamiento Vida enterrada +

Baja mobilidad

Interna

??

O consanguinidad ??

Dispersion

limitada

Dense Patches

Tipico ciclo de vida de especies planktotrofica

Consecuencias geneticas de la incubacion

Estructura genetica a pequena escala Entre parches

Aislamiento por distancia

Estructura genetica de poblacion de A. cordatus en el

Archipielago de Kerguelen

Ledoux J.B.et al. (Polar Biol. 2012): 3 microsatellites, 2 EPICS loci

IBD and differentiation over 10 m within patch

Poulin E., Féral J.P. (1994): 2 allozymes

IBD and differentiation between patches over few kms

Abatus agassizii

Zonas protegidas

Fondos blandos (arena, gravas)

Submareal someras (2 to 13 m)

Recoleccion en buceo

Investigando las consecuencias de la incubacion sobre la

diferenciacion genetica con 365 individuos localizados en 10

localidadaes a lo largo de la Bahia Fildes

1) Evaluamos la diversidad

genetica

6 loci microsatellites

2) Establecimos a cual escala geografica occurre la diferenciacion

10 localidades separadas por 500 m to 6 km

3) Prueba de aislamiento por distancia (Mantel test, Genetix 4.)

Diversidad genética entre muestras de diferentes sitios (Genetix 4.)

Localidad n Hnb Hobs Fis

Numero promedio

de alelos

North Shore 39 0,68 0,58 0,15** 12

Ardley 3 42 0,71 0,64 0,09** 12,33

Ardley 1 62 0,71 0,59 0,17** 13,67

Ardley 2 33 0,68 0,65 0,05ns 10,5

Ardley 4 33 0,71 0,65 0,08** 10,5

Catedral Isl. 35 0,73 0,65 0,11** 11,5

North China 39 0,71 0,64 0,09** 11,33

China 41 0,70 0,61 0,13** 11,5

South China 33 0,69 0,62 0,12** 10,5

Global Fst = 0,09

Ardley

3

Ardley

1

Ardley

2

Ardley

4

Catedral

Isl.

North

China China

South

China

North Shore 0,00999 0,01018* 0,01047* 0,00557 0,02186** 0,01509* 0,00132 0,04447**

Ardley 3 - 0 0,00466 0,00673 0,00355 0 0,00945* 0,01232*

Ardley 1 - 0,00094 0,00874 0 0,00173 0,01438* 0,01002

Ardley 2 - 0,0035 0,00811 0,01034 0,01355* 0,02814**

Ardley 4 - 0,00749 0,00586 0 0,0358**

Catedral Isl. - 0,0004 0,00908 0,0124*

North China - 0,00385 0,01726*

China - 0,04267**

Fst pareados

South China

&

Orilla Norte

Diferenciados de los

otros sitios

China / Ardley 1+2+3

870 m

Aislamiento por distancia

Calculando distancias siguiendo la costa y

cruzando el istmmo de la Peninsula Ardley

Prueba de Mantel significativa

P< 0,003

Analisis de la Varianza Molecular (AMOVA, Arlequin 3.1)

Fuente de Variación

Varianza

comp. % varianza

Entre grupos 0,00823 0.61**

Entre pob. en cada grupo 0,00339 0.25 ns

Intra-pob. 1,33653 99,14***

Significance test (10100 permutaciones)

- La diversidad genetica se mantiene a la escala de la Bahia Fildes

- La diferenciacion genetica global es baja

- Los individuos entre sitios de muestreo estan poco

diferenciados : 4 grupos

- La diferenciacion occurred a partir de 870 m

A pesar del desarrollo incubante de Abatus

agassizii

- Se observo una gran area panmictica (1 km)

en la costa norte de la Peninsula Ardley

Se observo una gran area panmictica (1 km)

en la costa norte de la Peninsula Ardley

Agradecimientos

Postdoctorado 3100139

F_01_09

Universidad de Chile

Instituto de Ecologia y

Biodiversidad

Scuba diving: E. Poulin

A. Diaz

J. Kermarrec

Labwork: C. Maturana

A. Martinez