Las plumas de la cola del pavo real, el enorme cuerno de los escarabajos rinocerontes machos, las astas sobresalientes de algunos ciervos: en la naturaleza, hay innumerables ejemplos de características que a primera vista solo pueden tener desventajas para sus dueños. Después de todo, esEs más difícil esconderse de un depredador cuando se usa un plumaje colorido, y los cuernos grandes no facilitan la fuga en el bosque. Por regla general, es el macho el que tiene esas características.
La evolución de los ornamentos masculinos ha sido, por tanto, fascinante para los biólogos desde siempre. Charles Darwin ya se preguntaba cómo podrían haber sido creadas por selección natural estructuras tan exageradas, consumidoras de energía y en principio dañinas. Usando el ejemplo del pez cola de espada Xiphophorushellerii, explicó su teoría de la selección sexual.La idea básica de Darwin: si las hembras prefieren aparearse con los portadores de rasgos ornamentales llamativos, dichos rasgos podrían establecerse en el curso de la evolución, aunque probablemente sean perjudiciales para sus dueños.
Científicos de Würzburg, Constanza y EE. UU. Han logrado encontrar las bases genéticas de este modelo evolutivo en Xiphophorus, también conocido por los acuaristas como una de sus mascotas favoritas. Entre todos los genes elegibles, los investigadores identificaron algunos que son responsablespara el desarrollo del rasgo ornamental correspondiente en esta especie de pez. Sus hallazgos también sugieren que en la cola de espada un gen que es realmente importante para los procesos neuronales en el cerebro ha adquirido una nueva función adicional durante la evolución.
Los científicos publicaron sus hallazgos en la revista Biología actual . Manfred Schartl, profesor principal del Departamento de Bioquímica del Desarrollo de la Universidad de Würzburg, es el autor principal del estudio. El proyecto fue iniciado conjuntamente por el biólogo evolutivo Axel Meyer de la Universidad de Constance con quien los investigadores de Würzburg hanestado investigando este fenómeno durante muchos años. Durante más de dos décadas, los dos laboratorios de las universidades de Würzburg y Constanza han investigado conjuntamente la base genética de la espada. El estudio actual ha llevado a los científicos un gran paso más hacia la comprensión de la genéticabase de la aleta caudal extendida de colas de espada.
"En varias especies del género Xiphophorus, los machos llevan la llamada 'espada', una extensión llamativa del borde inferior de la aleta caudal, que es de color amarillo, naranja o rojo y está rodeada por un margen negro oscuro", explica Manfred Schartl. La espada se desarrolla durante la pubertad y puede ser tan larga como el pez en algunas especies. En realidad, esto debería ser una desventaja, porque el adorno del cuerpo llamativo atrae a los depredadores por un lado y, por otro lado, hace que escapar másdifícil ya que reduce el rendimiento de la natación. Sin embargo, las hembras de Xiphophorus hellerii y varias especies relacionadas prefieren aparearse con machos que llevan una espada larga; los machos con espadas más cortas literalmente pierden en esta competencia.
excluyendo gradualmente a los sospechosos
Las bases genéticas de esta extensión de la aleta caudal en Xiphophorus se desconocían previamente. Sin embargo, el conocimiento de este fenómeno es necesario para probar hipótesis sobre el papel de la selección sexual a nivel genético molecular.
Los científicos adoptaron un enfoque gradual para identificar los genes responsables. Comenzaron por buscar todos los genes que están específicamente activos en la parte de la aleta caudal que desarrolla la espada, pero no en las regiones de la aleta que no forman una espada ". Este procesoresultó en un conjunto de 329 genes expresados diferencialmente en todos los transcriptomas espada ", dijo Schartl, describiendo el resultado. El término transcriptoma se refiere a la totalidad de genes que se transcriben en una célula o tejido en un momento determinado, es decir, que están activos.
La consideración de que los genes responsables de la formación de espadas solo se expresan en machos condujo a una reducción significativa en el número de sospechosos en el siguiente paso. Los científicos crearon transcriptomas de células de áreas específicas de las aletas caudales en especímenes masculinos y femeninos.Si las hembras mostraban actividades comparables a las de los machos, estaba claro que estos genes no se encuentran entre los candidatos buscados. Después de este proceso, quedaron 255 de los 329 genes originales.
"Curiosamente, esta comparación reveló que un patrón espacial de cinco factores de transcripción - Zic1, Hoxb13a, Six2a, Tbx3a y Pax9 - es responsable de organizar las condiciones previas en la aleta caudal para el desarrollo de una espada, y que este patróntambién está presente en las mujeres ", dijo Schartl.
Los retrocruces proporcionan información importante
El mapeo genético vino a continuación para reducir aún más el número aún alto de 255 genes candidatos. Para este propósito, los machos de cola de espada se cruzaron con hembras de una especie relacionada cuyos machos habían perdido su espada en el curso de la evolución. Los descendientes masculinos de este apareamientotienen espadas de diferentes longitudes debido a la mezcla de los genomas parentales dependiendo de su composición genética aleatoria. La secuenciación de esos genomas usando técnicas especiales de alto rendimiento hizo posible correlacionar ciertos segmentos de cromosomas con la formación de espadas, y aquellos con la lista degenes candidatos. Finalmente, quedaron tres genes.
Foco en un sospechoso principal
El gen con el nombre científico kcnh8 demostró ser crucial para el desarrollo de la característica masculina ". Este gen codifica un canal de potasio, un grupo de canales que desempeñan un papel importante en particular en la transmisión y procesamiento de estímulos enel sistema nervioso ", dijo Schartl. Los nuevos hallazgos apuntan a un gen con una función primaria en las células neurales que fue reclutado durante la evolución para desarrollar la espada masculina hace unos tres a cinco millones de años, es decir, temprano durante la diversificación de los peces cola de espada.La nueva función no se debe a cambios estructurales dentro del gen y su producto, sino a cambios en la regulación genética.
De hecho, los experimentos muestran que kcnh8 en la espada durante el desarrollo normal y después del tratamiento con hormonas masculinas está altamente regulado al alza en la región donde está organizada la espada. En todas las demás áreas de las aletas de los machos y en las aletas caudales de las hembras solo se expresa débilmenteAdemás, otros estudios muestran una correlación directa entre el nivel de expresión genética de kcnh8 y la longitud de las espadas.
Schartl y Meyer recibieron apoyo para su investigación sobre los canales de potasio de una fuente esperada: botánicos de la Universidad de Würzburg. Rainer Hedrich, que dirige el Departamento de Fisiología y Biofísica de Plantas Moleculares, y su colega, el profesor Dietmar Geiger, han estado estudiandocanales de potasio durante mucho tiempo. Las técnicas que utilizaron métodos especiales de sujeción por parche podrían transferirse fácilmente de las plantas a los peces.
Los canales de potasio transportan partículas cargadas eléctricamente y, por lo tanto, provocan cambios en el potencial de membrana en células y tejidos. Según los científicos, estos canales crean gradientes bioeléctricos en todo el tejido que afectan la estructura general del microambiente celular. Fenómenos similares se han observado enla proliferación de células cancerosas y han conducido a hipótesis sobre la importancia de los gradientes iónicos para el control del crecimiento. El papel de Kcnh8 en el desarrollo de la excrecencia caudal ventral en los machos de cola de espada está de acuerdo con estos modelos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Würzburg . Original escrito por Gunnar Bartsch. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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