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