Diversidad y estructura genética en poblaciones

Explicada con poblaciones de: Caesalpinia echinata (Lam.) Spreng. Pernambuk, Pau Brasil

Zhofre Aguirre Mendoza

Existe interés en la conservación y repoblación de esta especie (especie emblemática), debido a aspectos culturales y uso en la fabricación de instrumentos de cuerdas, violín (Carvalho, 1994; Rondon et al, 2003).

Para la estrategia de conservación de una especie es importante contar con información sobre: diversidad y estructura genética de las poblaciones de los remanentes (fragmentos), porque las pocas reservas existentes son áreas limitadas y número pequeño de individuos. De acuerdo con Melo et al. (2003), esta

condición no es favorable para el mantenimiento de la variabilidad de las especies, ya que son alógamas, autógamas o de reproducción asexual.

La conservación de una especie y su uso en el mejoramiento depende de la conservación máxima de la cantidad de germoplasma, por lo que la evaluación de recursos genéticos disponibles es esencial (Brown y Moran, 1981, Moran y Hopper, 1987). En la evaluación de recursos genéticos se debe hacer hincapié en la cantidad y distribución de la variabilidad genética entre y dentro de las poblaciones, así como entre las especies (Hamrick, 1983).

¿Qué es el ADN? ácido desoxirribonucleico El ADN es la sustancia química donde se almacenan las instrucciones que dirigen el desarrollo de un huevo hasta formar un organismo adulto, que mantienen su funcionamiento y que permite la herencia. Es una molécula de longitud gigantesca, que está formada por agregación de tres tipos de sustancias: azúcares, llamados desoxirribosas, el ácido fosfórico, y bases nitrogenadas de cuatro tipos, la adenina, la guanina, la timina y la citosina.

Los azúcares y los ácidos fosfóricos se unen lineal y alternativamente, formando dos largas cadenas que se enrollan en hélice. Las bases nitrogenadas se encuentran en el interior de esta doble hélice y forman una estructura similar a los peldaños de una escalera. Se unen a las cadenas mediante un enlace con los azúcares. Cada peldaño está formado por la unión de dos bases, formando los pares de bases anteriormente mencionados; pero estos emparejamientos sólo pueden darse entre la adenina y la timina o entre la citosina y la guanina. Las secuencias - el orden en que se van poniendo- que forman adenina, timina, citosina y guanina a lo largo de la cadena de ADN es lo que determina las instrucciones biológicas que contiene. Constituye el material genético de las células.

Que son los genes?

Un gen es una secuencia ordenada de nucleótidos en la molécula de ADN (o ARN en el caso de algunos virus), que contiene la información necesaria para la síntesis de una macromolécula con función celular específica, normalmente proteínas. Esta función puede estar vinculada al desarrollo o funcionamiento de una función fisiológica. El gen es considerado como la unidad de almacenamiento de información genética y unidad de herencia al transmitir esa información a la descendencia. Los genes se disponen, pues, a lo largo de ambas cromátidas de los cromosomas ocupando en el cromosoma una posición determinada llamada locus. El conjunto de genes de una especie, y por tanto de los cromosomas que los componen, se denomina genoma.

Población Es un conjunto de individuos de la misma especie que viven en un lugar geográfico determinado (nicho ecológico) y que real o potencialmente son capaces de cruzarse entre sí, compartiendo un acervo común de genes (“pool” génico).

Genética de Poblaciones, estudia: - La constitución genética de los individuos que componen las poblaciones (frecuencias génicas y genotípicas). - La transmisión de los genes de una generación a la siguiente (gametos=nexos de unión entre una generación y la siguiente).

Es el número total de características genéticas dentro de cada especie. Esta diversidad se reduce cuando hay “cuellos de botella”, es decir, cuando una población disminuye substancialmente y quedan pocos individuos. Ej. La población de alrededor de 100 cóndores Vultus crispus de los andes del Ecuador, desciende de aproximadamente de 25 sobrevivientes de la cacería furtiva. La pérdida de diversidad genética de los cóndores del Ecuador ha resultado en problemas reproductivos y de sobrevivencia.

Mayor diversidad genética, las especies tienen mayores probabilidades de sobrevivir a cambios en el ambiente. Las especies con poca diversidad genética tienen mayor riesgo frente a esos cambios. En general, cuando el tamaño de las poblaciones se reduce, aumenta la reproducción entre organismos emparentados (consanguinidad) y hay una reducción de la diversidad genética. La diversidad genética se puede medir utilizando: la diversidad de genes, la heterocigocidad, el número de alelos por locus.

DIVERSIDAD GENÉTICA

VARIABILIDAD GENÉTICA

Es una medida de la tendencia de los genotipos de una población a diferenciarse. Los individuos de una misma especie no son idénticos. Si bien, son reconocibles como pertenecientes

a la misma especie, existen muchas diferencias en su forma, función y comportamiento. En cada una de las características que se pueda nombrar de un organismo existirán variaciones

dentro de la especie.

Por ejemplo, la paja toquilla de Manabí son plantas pequeñas de 2 m en promedio y las plantas del oriente miden hasta 3,5 m

y sin embargo son la misma especie Carludovica palmata.

Cantidad y distribución de la variación genética dentro y entre poblaciones de una especie.

La estructura genética de una población concreta viene

determinada por la historia evolutiva de esa población y va a ser consecuencia de las interacciones entre los 5 factores que condicionan la evolución de las poblaciones: mutación, deriva

genética, flujo génico, sistema de reproducción y selección natural.

ESTRUCTURA GENÉTICA

Fuerzas evolutivas de las especies Selección Natural

Transferencia diferencial de

alelos que permite la eficacia

reproductiva de una

población.

Migración

El movimiento de genes de

una población

Llegan alelos nuevos, se

fijan, se combinan

generando nuevos genotipos

y serán heterocigotos,

entonces aumenta la

diversidad porque se

incorpora variación a la

población

Deriva Genética

Reducción, perdida drástica

de alelos por reducción de la

población.

Cuando la frecuencia alélica

es cercana a uno, existe

menos variabilidad de la

especie. Reducción del

número de individuos:

efecto cuello de botella.

Flujo genético

Movimiento e Incorporación

de alelos en una población.

Se da cuando se reproduce y

hay replicaciones del ADN,

meiosis aquí se derivan e

intercambia el ADN en la

células reproductoras.

Mutación y Recombinación Las proteínas a través de las enzimas separan y van organizando los nucleótidos y en este proceso existe equivocación en la unión y se dan las mutaciones. Las mutaciones dañan la descendencia.

Sistemas de Reproducción

Sexual, asexual, hagamica.

Influye la diversidad genética

Plasticidad fenotípica

Características morfológicas diferentes, pero del mismo

genotipo.

Ejemplo individuos de una misma especie que vive en rocas, una

crece en zonas secas y debe adquirir características que le

permitan superar esas condiciones ambientales.

Endogamia

Se refiere al cruzamiento entre individuos de una misma raza

dentro de una población aislada, tanto geográfica, como

genéticamente, que lleva paulatinamente a la

consanguinidad. Fecundación entre individuos de

la misma especie

La medida que, probablemente, es más útil para estimar la diversidad genética dentro de una población es la heterocigosidad (H), que se

define como el porcentaje promedio de loci heterocigóticos por individuo (o de manera equivalente, el porcentaje medio de

individuos heterocigóticos por locus).

Mejoramiento Genético

Es el arte y la ciencia de incrementar el rendimiento o la productividad, la resistencia a agentes abióticos y bióticos

adversos, la belleza, la calidad o el rango de adaptación de las especies animales y vegetales por medio de los

cambios en el genotipo (la constitución genética) de los individuos.

Está basada en las leyes de la herencia, la genética

cuantitativa y la genética de poblaciones.

Tamaño del fragmento Forma del fragmento

Perímetro del fragmento Efecto de Borde - Gradientes ambientales - Gradientes biológicas

Distancia entre fragmentos

Fragmentación

Conectividad e intercambio genético de los individuos de las poblaciones.

Matriz adyacente del fragmento Uso del suelo alrededor de

los parches

Principales Causas Extinción

1. Reducción de la población < Flujo genético < variabilidad genética 2. Aislamiento Provoca: Endogamia—> consanguinidad: deriva genética

Categorías de conservación de la IUCN: - Considera tamaño poblacional - Deriva genética

METODOLOGÍA Poblaciones: Mata do Tapacura (CAM) Mata de Toro (TOR) Reforestación (REF).

Poblaciones en bosques exuberante y protegidos, en una matriz de monocultivos intensivos de caña de azúcar en los alrededores de la estación. Efecto de borde!!! Los dos remanentes naturales: CAM y TOR, separados entre sí por 6 km. La población REF se encuentra a 1 km de la población CAM y, las semillas que dieron origen a REF se recogieron de la población CAM. CONECTIVIDAD !!!

Muestreo

El muestreo de las poblaciones se realizó al azar en árboles jóvenes y adultos, diámetro a 1,30 superior a 2,50 cm. Se muestrearon tejidos de hojas de 20 individuos de cada población, con un total de 60 muestras.

Entre las técnicas disponibles para determinar los patrones de la variabilidad genética, mediante marcadores bioquímicos, sobresale la electroforesis de isoenzimas. Las isoenzimas han sido utilizadas con éxito para caracterizar la diversidad genética, el sistema de cruzamiento y la tasa de endogamia (consanguinidad) en poblaciones de diferentes especies (Hamrick y Loveles, 1986; O'Maley y Bawa, 1987).

Electroforesis de isoenzimas Para la extracción de enzimas se utilizaron 0,5 g de tejido de la hoja para 1,5 ml de solución extractora (Alfenas et al., 1991). La solución extraída fue absorbida en papel filtro, aplicados en gel, después se inicio la electroforesis. El medio de cultivo fue almidón maíz (penetrose 30) 13 %.

Análisis de los datos La interpretación de zimogramas permitió determinar: - Frecuencias alélicas - Heterocigosidad observada - Diversidad genética esperada no sesgada - Número promedio de alelos por locus, porcentaje de locus

polimórficos a 95 % de probabilidad (P) - Índice de fijación de Wright (f^). - Divergencia genética entre las poblaciones. Para estas estimaciones fue empleado el programa Biosys 1 (Swofford y Selander, 1989). Con los datos estimados programa Biosys 1, se hiso una matriz de distancias/similitudes genética, de acuerdo con Nei (1978).

RESULTADOS Guilandina echinata (Lam.) Spreng.

1. Frecuencias alélicas Las frecuencias alélicas variaron desde una completa fijación (1), caso del alelo A del sistema Got en las poblaciones REF y TOR de frecuencias muy bajas (0,05) como para alelos B del sistema Po-1 de las poblaciones TOR

2. Índices de diversidad El número de alelos por locus promedio fue alto, oscilando entre 2,0 a 2,6 entre las tres poblaciones. El porcentaje de locus polimórficos fue elevado de 83,3 %, demuestra un alto polimorfismo isoenzimático para C. echinata.

3. Heterocigosidad CAM > heterocigosidad (0,475) > Diversidad genética

REF heterocigosidad (0,15): homocigosis

4. Índices de fijación alélica Bajo para CAM (- 0,015) Alto para TOR (0,416) Muy alto para REF (0,746)

Los índices observados en TOR pueden ser atribuidos a la aparición de la deriva genética, debido a la reducción aleatoria del tamaño de la población, asociado al aumento del parentesco de la misma.

5. Divergencia Genética La > diversidad genética se encuentra dentro de las poblaciones (0,788), aunque hubo una gran variación entre las poblaciones (FST = 0,212). Estos índices muestran que las poblaciones pueden estar aisladas.

6. Similitud entre las poblaciones CAM y REF son más parecidas (0,858). Este valor está de acuerdo con la historia de las dos poblaciones, CAM esta cerca de la sede de la EET, fue utilizada para recolectar semillas para la producción de los árboles, que dieron origen a REF.

CAM y TOR (0,75) de similitud, puede ser considerado bajo, tratándose de poblaciones de una misma especie. Por lo tanto, la distancia genética de 0,25 entre las dos poblaciones muestra la necesidad de conservación de ambas, ya que presentan grandes diferencias en las frecuencias alélicas.

Altos niveles de diversidad genética son esperados en especies de amplia distribución geográfica y alta diversidad

poblacional como C. echinata. Por lo tanto, la amplia distribución geográfica de la especie explica los altos niveles

de la diversidad genética observados.

CONCLUSIONES Existen altos niveles de variabilidad genética en las poblaciones naturales (CAM y TOR) y en la población de reforestación (REF). Las tres poblaciones de C. echinata (CAM, TOR y REF), existentes en la EET tienen potencial para recolectar semillas para la producción de plántulas, pero REF es menos indicada por presentar mayor tasa de homocigosis. Para representar la variabilidad de las poblaciones en el programa de producción de plántulas, las semillas deben colectarse en las dos poblaciones naturales, ya que no hay divergencia genética alta entre ellas (28 %).

La alta divergencia entre las dos poblaciones naturales sugiere que las dos han pasado por efecto de la deriva

genética, ya sea por fundición o unión y/o por el efecto de cuello de botella. Tales eventos pueden haber llevado a la

estructura genética observada.

Es una METAPOBLACIÓN ? Poblaciones pequeñas de una especie que están distribuidas en diferentes parches aislados, que tienen poco intercambio genético y están en riesgo de extinguirse.

GRACIAS “Están dentro de ti y dentro de mí; ellos nos crearon, cuerpo y mente; y su preservación es la última razón de nuestras existencia. Esos replicadores han recorrido un largo camino. Ahora se conocen con el nombre de genes y nosotros somos sus máquinas de sobrevivencia” Richard Dawkins (1941- “El Gen Egoísta”, 1976