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Medida del impacto ambiental sobre el fenotipo

Medida del impacto ambiental sobre el fenotipo


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Permítanme comenzar negando que no soy ni mucho menos un biólogo por competencia o educación y que simplemente estoy interesado en algunos de sus campos de estudio como una cuestión de curiosidad general. Así que disculpe mi ignorancia.

Recientemente he estado reflexionando sobre los conceptos de genotipo y fenotipo. Esta página resume sucintamente la diferencia entre los dos.

Tenía curiosidad por saber si existen medidas científicas, y qué tan precisas son, para el impacto del medio ambiente en el fenotipo de un espécimen. Hipotéticamente, si el medio ambiente no tuviera ningún efecto, el fenotipo estaría determinado al 100% por el genotipo. Pero, en una simple aproximación,fenotipo = genotipo + ambiente. ¿Tiene la biología moderna un sistema de medición de cuánto afecta el medio ambiente a las últimas características observables de un organismo, además de lo que hace su genotipo?


Entre un comentario largo y una respuesta ...

Para una revisión de la teoría detrás de las variables causales del fenotipo, uno podría querer echar un vistazo a Biología ¿Por qué un coeficiente de heredabilidad no es un índice de cuán “genético” es algo ?.

Se puede investigar el impacto de una variable ambiental específica en la variación fenotípica, pero el entorno en su conjunto se calcula típicamente como lo que queda cuando se explican otras fuentes de variación fenotípica. Como tal, es posible que desee leer sobre métodos de estimación de heredabilidad y tal vez esp. el post ¿Cómo funcionan la herencia y la regresión a la media con respecto a la inteligencia ?.


El fenotipo a menudo se discute a un nivel bastante burdo. En las clases de biología reflexionamos sobre genotipos simples de la genética mendeliana y discernimos que la planta de guisantes con el genotipo YY tiene semillas de guisantes amarillas.

Sin embargo, considere una suspensión de células tumorales que se cultivan en una placa de Petri. Una forma bastante sencilla de evaluar el fenotipo de las células es mediante microscopía confocal.

Digamos que crecen las mismas células, pero algunas con oxígeno normal y otras con menos oxígeno. Consulte la siguiente figura:

En B, los investigadores están usando un marcador de anticuerpos fluorescentes, como usted usaría en la citometría de flujo, para realizar microscopía confocal. Con oxígeno al 1% durante hasta 21 días, el fenotipo de las mismas células difiere profundamente (referencia). La citometría de flujo también se puede usar para identificar diferencias en el fenotipo que surgen de factores ambientales.

Tomemos, por ejemplo, las células T aisladas de su sangre. Puedo cambiar el fenotipo en función de los receptores de superficie detectados por citometría de flujo, agregando diferentes citocinas al medio de cultivo. Si agrego interleucina-12, es más probable que diferencie mis células T en células auxiliares o citotóxicas de tipo 1 perceptiblemente. Puedo decirlo por la presencia o ausencia, o abundancia de marcadores como CCR5 o CXCR3.

Y si secuencia estas celdas, obtienes el mismo material. Los cambios epigenéticos son más difíciles de entender. En el ejemplo de la hipoxia, se cree que la falta de oxígeno cambia el fenotipo al modificar la forma en que la maquinaria celular puede acceder y expresar genes clave asociados con el fenotipo de hipoxia.

El punto principal aquí es que para discernir las técnicas que están disponibles para usted, es importante definir el sistema que está investigando. Por ejemplo, no tengo idea de cómo determinan el impacto ambiental sobre las especies animales. Pero puedo sentarme aquí y recitar técnicas para analizar células individuales o sistemas de células.


¿Cómo juega el medio ambiente un papel en la biodiversidad?

La biodiversidad, en todas sus formas e interacciones, es la variedad de vida en la Tierra. El cambio climático está agravando la pérdida de biodiversidad y viceversa. Por delante de la EMBO | Simposio EMBL "El organismo y su medio ambiente" (1 al 4 de marzo de 2020), hablamos con la organizadora científica y directora general del EMBL, Edith Heard, sobre el impacto que tiene el medio ambiente en la biodiversidad y el papel de la investigación en la resolución de desafíos globales.

¿El medio ambiente juega un papel importante en la creación de diversidad biológica??

La biodiversidad es la variedad de vida en la Tierra. Esta vida, en todas sus formas y tamaños, se produce en el contexto de los ecosistemas: depende de otros organismos y el entorno físico e interactúa con ellos. La biodiversidad representa el "conocimiento" colectivo aprendido por las especies en evolución durante millones de años, sobre cómo sobrevivir a las condiciones ambientales enormemente variables que tiene y está experimentando la Tierra. Estas condiciones ambientales variables provocan variaciones naturales en la biodiversidad, así como cambios genéticos y epigenéticos, dentro y entre especies a lo largo del tiempo. Hoy, los científicos están tratando de comprender la base de estas variaciones naturales, ya que nos permitirán comprender cómo evoluciona la vida.

Las poblaciones de peces han disminuido a un ritmo alarmante y la mitad de los arrecifes de coral de aguas poco profundas del mundo se han perdido en solo 30 años.

Pero la biodiversidad también es una medida de la salud de cualquier ecosistema. Las tendencias recientes en la pérdida de biodiversidad muestran muy claramente que los seres humanos están destruyendo ecosistemas a gran escala. Según el Director General del Fondo Mundial para la Naturaleza (WWF), el aumento de la contaminación, la deforestación, el cambio climático y otros factores provocados por el hombre han creado una crisis "alucinante". El WWF Informe Planeta Vivo 2018 (WWF LPR, 2018) también afirma que las poblaciones de peces de agua dulce han disminuido en más del 80% en promedio desde 1970 y la mitad de los arrecifes de coral de aguas poco profundas del mundo se han perdido en los últimos 30 años (WWF LPR, 2018). Junto a esto, la deforestación de las selvas tropicales significa que actualmente estamos perdiendo más de 100 especies de plantas y animales por día (Holley, 2017). En resumen, la influencia humana en el medio ambiente tiene un gran impacto en la biodiversidad y actualmente estamos quemando la biblioteca de la vida.

¿Cómo se puede determinar el efecto del medio ambiente en un organismo?

El medio ambiente puede afectar a un organismo de muchas formas. El impacto puede ser transitorio o de más largo plazo dentro de un individuo o entre generaciones. El medio ambiente también puede provocar cambios moleculares, celulares, fisiológicos o de comportamiento. Por ejemplo, la expresión de genes en un organismo puede verse influenciada por el entorno externo, como el lugar donde se desarrolla el organismo o los factores asociados con su ubicación. La expresión genética también podría verse influenciada por el entorno interno de un organismo, incluidas las hormonas o el metabolismo. Finalmente, el genoma en sí, factores genéticos que varían entre individuos en poblaciones naturales, también podrían influir en la expresión genética.

Los grupos de investigación del EMBL analizan cómo surge la variedad en los organismos

Desenredar el impacto de la variación genética y ambiental puede ser un gran desafío y, durante mucho tiempo, los científicos han tendido a centrarse en minimizar las variaciones en el entorno para comprender cómo los cambios en el genotipo afectan al fenotipo. Esto, junto con la metáfora profundamente arraigada de "un genotipo = un fenotipo", ha significado que la variación fenotípica inducida por el medio ambiente se ha ignorado en favor de un estudio "más útil y preciso" de los polimorfismos genéticos. Esto es a pesar del hecho de que desde principios del siglo XX, los científicos sabían que el fenotipo de un individuo depende de la interacción entre su genotipo y las señales ambientales. Hoy, finalmente tenemos el poder de considerar el impacto del medio ambiente en el fenotipo. Podemos realizar mediciones precisas a escala molecular, celular y de organismos en entornos controlados que pueden ser variados y podemos secuenciar genomas al mismo tiempo.

También podemos tomar datos humanos emparejados con datos ambientales, por ejemplo, en el contexto de algunos de los intereses de investigación del EMBL, como las enfermedades infecciosas y los microbiomas, para comprender los efectos cuantitativos del medio ambiente y su influencia en la biología humana. Proyectos pioneros como Tara Oceans también nos han permitido investigar las interacciones entre organismos y el medio ambiente mediante la generación de datos de referencia, el descubrimiento de principios ecológicos emergentes y el desarrollo de predicciones sobre cómo los ecosistemas se verán afectados por un medio ambiente cambiante. Comprender cómo los organismos existen juntos y en entornos cambiantes es de fundamental importancia para nuestra comprensión de los principios biológicos y nuestro conocimiento de la vida.

¿Qué desafíos se enfrentan actualmente en este campo?

El estudio de los organismos en su entorno será cada vez más importante.

Comprender el comportamiento de moléculas individuales, células u organismos completos ya es un desafío. Comprender cómo el medio ambiente influye en un organismo, o poblaciones de organismos, representa una escala completamente nueva en complejidad. Esta es un área en la que creo que EMBL podría contribuir de manera única en el futuro. Será necesario pasar de investigar organismos principalmente en el laboratorio a estudiarlos en su entorno. También necesitaremos asegurar el rápido desarrollo de tecnologías y herramientas para satisfacer estas necesidades científicas. Junto a esto, necesitamos nuevos enfoques para integrar conjuntos de datos grandes y complejos y darles sentido. Para hacer frente a este desafío, necesitamos teoría. Ahora nos encontramos en una posición única para abordar la dinámica y la complejidad de la materia viva en múltiples escalas y en el contexto de un entorno cambiante. Pero también necesitamos la teoría para abordar los problemas sociales y planetarios. Debemos apuntar a una tasa de descubrimiento científico que supere la tasa de calamidades como la pérdida de biodiversidad, la degradación de los ecosistemas, las epidemias y el cambio climático.

¿Qué se puede hacer para prepararse para el futuro con respecto a la diversidad biológica, el organismo y su medio ambiente?

¡Investigación, investigación y más investigación! Los problemas ambientales, como el agujero en la capa de ozono o la lluvia ácida, se resolvieron mediante enfoques científicos sólidos. Necesitamos aprender de estos éxitos científicos y sociales del pasado. Hoy en día, el número cada vez mayor de nuevas tecnologías nos permite recopilar, medir y almacenar datos a escalas sin precedentes. También necesitamos reunir a ecólogos, zoólogos, genetistas de poblaciones y expertos ambientales para abordar estas preguntas de investigación. Juntos podemos aplicar tecnología de punta con rigor, atraer nuevos talentos científicos y difundir el conocimiento a las comunidades globales.

¿Qué te inspiró a organizar este simposio?

Como genetista y epigenético, he explorado la intersección entre el genotipo y el medio ambiente y cómo eso produce un fenotipo. Desde la observación de muchas áreas de investigación, que van desde insectos sociales como abejas y hormigas hasta la vernalización de plantas y variaciones entre gemelos idénticos, sentí que ha llegado el momento de reunir a científicos de muchas áreas diferentes. También quería que este fuera un simposio que atrajera a científicos de diferentes áreas al EMBL.

En EMBL, queremos comprender la base molecular de la vida. Hasta ahora, EMBL ha sido conocido por explorar la biología genómica, molecular, estructural y celular a nivel de organismos individuales. De cara al futuro, queremos estudiar los organismos en el contexto de sus entornos físicos y biológicos. no solo de forma aislada. Para comprender verdaderamente la vida en la Tierra, necesitamos estudiar los organismos en la naturaleza, no solo en el laboratorio. Una forma de entender la vida a nivel molecular será intentar traer ecosistemas relevantes al laboratorio, medirlos y perturbarlos en condiciones controladas. Los oradores que hemos invitado son expertos de muchas áreas diferentes de la biología o la ecología y aportarán nuevas y emocionantes perspectivas a nuestra investigación.

El Simposio EMBO | EMBL: El organismo y su entorno tendrá lugar en EMBL Heidelberg, Alemania, del 1 al 4 de marzo de 2020

¿Cuál es el mayor beneficio de este simposio para la comunidad científica?

El simposio es una oportunidad para abordar cómo los organismos se ven influenciados por un entorno cambiante. Reunirá diferentes disciplinas de investigación e irá más allá de las perspectivas puramente genéticas o ecológicas de la variación fenotípica. Los genetistas, biólogos moleculares, biólogos evolutivos y ecologistas no necesariamente se encuentran en circunstancias normales. Esta reunión permitirá tales interacciones y fertilización cruzada.

¿Cuál será el punto culminante principal del simposio?

Hoy nos encontramos en una posición única para abordar la complejidad y la dinámica de la vida a múltiples escalas, desde las moléculas hasta los ecosistemas. También debemos considerar la idea de que el cambio incluso en el medio ambiente no es necesariamente algo malo. Después de todo, sin cambios, la evolución no podría ocurrir y no existiría nada de la asombrosa biodiversidad de la vida en nuestro planeta. Espero que lo más destacado de este simposio sean algunas nuevas y maravillosas ideas sobre los procesos evolutivos.

Holley D., (2017). Biología General II, Organismos y Ecología. Indianápolis: Dog Ear Publishing, 898.


Enfoques ómicos en el desarrollo de tolerancia al estrés abiótico en arroz (Oryza sativa L.)

Shohreh Fahimirad, Mansour Ghorbanpour, en Avances en la investigación del arroz para la tolerancia al estrés abiótico, 2019

38.6 Fenómica

La fenómica se describe como el análisis de alto rendimiento del fenotipo mediante la evaluación de los rasgos morfológicos, fisiológicos y bioquímicos de un organismo y la correlación de factores genéticos, epigenéticos y ambientales (Deshmukh et al., 2014). La fenómica de las plantas es el estudio del crecimiento, el rendimiento y la composición de las plantas. Los avances tecnológicos de fenotipado se han utilizado comúnmente para seleccionar colecciones de germoplasma con el fin de predecir el fenotipo basándose en los marcadores genéticos. Este enfoque se denomina "síntomas genéticos" (Deshmukh et al., 2014). Este cribado proporciona las relaciones entre los rasgos fenotípicos y los efectos bióticos o abióticos sobre el fenotipo. Las plantas tolerantes ilustran características particulares en genómica, transcriptómica, proteómica y metabolómica. Por lo tanto, la fenómica integrada con otros enfoques ómicos proporciona una gran comprensión para comprender cómo los procesos bioquímicos o biofísicos celulares conducen al fenotipo resultante final. Los fenotipos de plantas son intrínsecamente complejos porque resultan de la interacción de genotipos con una multitud de factores ambientales (Bilder et al., 2009).

Se han desarrollado plataformas de fenotipado automático y de alto rendimiento para estudiar la mejora de los cultivos en respuesta a las condiciones climáticas. Descubrir la variación de fondo, las relaciones entre los rasgos y los comportamientos de crecimiento de las plantas son algunos de los hallazgos más destacados de la fenómica (Brown et al., 2014). El análisis de las plataformas de fenotipado ayuda a los investigadores a relacionar la información fenotípica multiparamétrica con la variabilidad genética. Las metodologías de imágenes automatizadas, como herramienta ideal, se utilizan para obtener datos fenotípicos no destructivos para estudios cuantitativos, como crecimiento, tolerancia, resistencia, fisiología y rendimiento (Li et al., 2014). Esta técnica es capaz de medir múltiples rasgos fisiológicos de una planta individual. La alta velocidad y precisión, además de facilitar el descubrimiento de las características y la funcionalidad de las plantas vivas mediante la exploración de perfiles de temperatura, la medición de las tasas de fotosíntesis y de crecimiento y la comprensión de la fisiología de las raíces, son las principales ventajas del método de obtención de imágenes automatizado (Finkel, 2009). Se evidencia que las generaciones posteriores pueden heredar los rasgos de finotipificación de sus predecesores a través de procesos epigenéticos (Dawson et al., 2011). Los estudios confirman que la plasticidad fenotípica es más importante en comparación con la diversidad genética para permitir que las plantas sobrevivan bajo estrés abiótico (Gratani, 2014). Es necesario vincular protocolos de fenotipado adecuados con otros pasos moleculares de estudios biológicos como colecciones de germoplasma, mapeo de poblaciones, materiales de reproducción y el diseño de experimentos "ómicos" y de locus de rasgos cuantitativos (QTL), ya que los científicos están tratando de encontrar la genética. mecanismos subyacentes a los principales rasgos fenotípicos de las plantas (Rahaman et al., 2015). Los enfoques "ómicos" se utilizan en diferentes órdenes de investigación de plantas para estudiar los mecanismos moleculares de los rasgos fenotípicos en condiciones de estrés (Deshmukh et al., 2014 Tabla 38.5).

Tabla 38.5. Proyectos sobre la fenómica del estrés abiótico del arroz

ProyectoReferencia
Arroz C4: un desafío para la fenómica de las plantas Furbank y col. (2009)
Fenómenos de campo para la respuesta de un panel de diversidad de arroz a diez entornos en Senegal y Madagascar. 1. Características fenológicas de las plantas Dingkuhn y col. (2015a, b)
Fenómenos de campo para la respuesta de un panel de diversidad de arroz a diez entornos en Senegal y Madagascar. 2. Esterilidad de las espiguillas inducida por enfriamiento Dingkuhn y col. (2015a, b)
Integración de fenómenos fenómicos basados ​​en imágenes y análisis de asociación para diseccionar la arquitectura genética de las respuestas de salinidad temporal en el arroz Malachy y col. (2015)
Fenómenos vegetales y fenotipado de alto rendimiento: aceleración de la genómica funcional del arroz utilizando tecnologías multidisciplinarias Yang y col. (2013)

Selección direccional

Cuando el medio ambiente cambia, las poblaciones a menudo sufrirán selección direccional (Figura 1b), que selecciona fenotipos en un extremo del espectro de variación existente. Un ejemplo clásico de este tipo de selección es la evolución de la polilla moteada en la Inglaterra de los siglos XVIII y XIX. Antes de la Revolución Industrial, las polillas eran predominantemente de color claro, lo que les permitía mezclarse con los árboles y líquenes de colores claros en su entorno. Pero a medida que el hollín comenzó a salir de las fábricas, los árboles se oscurecieron y las polillas de colores claros se volvieron más fáciles de detectar para las aves depredadoras. Con el tiempo, la frecuencia de la forma melánica de la polilla aumentó porque tenían una mayor tasa de supervivencia en los hábitats afectados por la contaminación del aire porque su coloración más oscura se mezclaba con los árboles cubiertos de hollín. De manera similar, la población hipotética de ratones puede evolucionar para adquirir una coloración diferente si algo hiciera que el suelo del bosque donde viven cambiara de color. El resultado de este tipo de selección es un cambio en la varianza genética de la población hacia el nuevo fenotipo adecuado.


INCIDENCIA Y CONSECUENCIAS DE LOS EFECTOS AMBIENTALES HEREDADOS

AbstractoLos efectos ambientales heredados son aquellos componentes del fenotipo que se derivan de cualquiera de los padres, además de los genes nucleares. Los efectos ambientales heredados surgen como producto de genes parentales y del entorno parental, o de su interacción, y pueden incluir contribuciones que reflejan las características abióticas, nutricionales y ecológicas de un entorno parental. Separar el impacto de los efectos ambientales heredados de los efectos genéticos heredados sobre la variación del fenotipo de la descendencia ha sido y sigue siendo un desafío. Esta complejidad está representada en la presentación de un modelo cualitativo que distingue las posibles vías de transmisión transgeneracional no genética. Este modelo sirve como marco para considerar la naturaleza, en los trabajos publicados, de lo que realmente se midió.La evidencia empírica de los efectos ambientales heredados que surgen de estas vías está documentada para una diversidad de taxones de plantas y animales. A partir de estos resultados se puede concluir que el impacto de los efectos ambientales heredados sobre la descendencia puede ser positivo o negativo según la naturaleza de la contribución y el contexto ecológico en el que exista la descendencia. Por último, se describen los esfuerzos teóricos y experimentales para comprender las consecuencias de los efectos de los padres en relación con su impacto en la dinámica de la población, la expresión de la plasticidad del fenotipo adaptativo y la evolución del carácter.


AGRADECIMIENTOS

Agradecemos al Dr. Axel Schumacher por su ayuda con el dibujo de figuras para este artículo. Esta investigación ha sido apoyada por la subvención de la Iniciativa Especial de la Ontario Mental Health Foundation y también por NARSAD, la Canadian Psychiatric Research Foundation, la Stanley Foundation, la Juvenile Diabetes Foundation International y la Crohn's and Colitis Foundation of Canada a A.P.

Figura 1. Las tasas de concordancia MZ y DZ para (A) algunos comportamientos comunes (5-7, 60-63) y (B) trastornos médicos (64–70). Las tasas de concordancia (%) que se muestran son un valor de rango medio aproximado derivado de múltiples cifras informadas.


Contenido

Plantas Editar

La plasticidad fenotípica en las plantas incluye el momento de la transición de la etapa de crecimiento vegetativo a la reproductiva, la asignación de más recursos a las raíces en suelos que contienen bajas concentraciones de nutrientes, el tamaño de las semillas que produce un individuo según el medio ambiente, [6] y la alteración de la forma, el tamaño y el grosor de las hojas. [7] Las hojas son particularmente plásticas y su crecimiento puede verse alterado por los niveles de luz. Las hojas que crecen a la luz tienden a ser más gruesas, lo que maximiza la fotosíntesis con luz directa y tienen un área más pequeña, lo que enfría la hoja más rápidamente (debido a una capa límite más delgada). Por el contrario, las hojas que crecen a la sombra tienden a ser más delgadas, con una mayor área de superficie para capturar más de la luz limitada. [8] [9] El diente de león es bien conocido por exhibir una considerable plasticidad en la forma cuando crece en ambientes soleados o sombreados. Las proteínas de transporte presentes en las raíces también cambian dependiendo de la concentración del nutriente y la salinidad del suelo. [10] Algunas plantas, Mesembryanthemum crystallinum por ejemplo, son capaces de alterar sus vías fotosintéticas para usar menos agua cuando sufren estrés hídrico o salino. [11]

Debido a la plasticidad fenotípica, es difícil explicar y predecir los rasgos cuando las plantas se cultivan en condiciones naturales, a menos que se pueda obtener un índice ambiental explícito para cuantificar los ambientes. La identificación de tales índices ambientales explícitos de períodos críticos de crecimiento que están altamente correlacionados con el tiempo de floración del sorgo y el arroz permite tales predicciones. [5] [12]

Fitohormonas y plasticidad foliar Editar

Las hojas son muy importantes para una planta ya que crean una vía donde pueden ocurrir la fotosíntesis y la termorregulación. Evolutivamente, la contribución ambiental a la forma de las hojas permitió la creación de una gran variedad de tipos diferentes de hojas. [13] La forma de las hojas puede ser determinada tanto por la genética como por el medio ambiente. [14] Se ha demostrado que los factores ambientales, como la luz y la humedad, afectan la morfología de las hojas, [15] dando lugar a la pregunta de cómo se controla este cambio de forma a nivel molecular. Esto significa que diferentes hojas podrían tener el mismo gen pero presentar una forma diferente en función de factores ambientales. Las plantas son sésiles, por lo que esta plasticidad fenotípica permite que la planta capte información de su entorno y responda sin cambiar su ubicación.

Para comprender cómo funciona la morfología de la hoja, se debe comprender la anatomía de una hoja. La parte principal de la hoja, el limbo o lámina, está formada por la epidermis, el mesófilo y el tejido vascular. La epidermis contiene estomas que permiten el intercambio de gases y controlan la transpiración de la planta. El mesófilo contiene la mayor parte del cloroplasto donde puede ocurrir la fotosíntesis. Desarrollar una hoja / lámina ancha puede maximizar la cantidad de luz que llega a la hoja, aumentando así la fotosíntesis; sin embargo, demasiada luz solar puede dañar la planta. La lámina ancha también puede atrapar el viento fácilmente, lo que puede causar estrés a la planta, por lo que encontrar un medio feliz es imperativo para la aptitud de las plantas. La Red Reguladora Genética es responsable de crear esta plasticidad fenotípica e involucra una variedad de genes y proteínas que regulan la morfología de las hojas. Se ha demostrado que las fitohormonas desempeñan un papel clave en la señalización en toda la planta, y los cambios en la concentración de las fitohormonas pueden provocar un cambio en el desarrollo. [dieciséis]

Estudios sobre las especies de plantas acuáticas Ludwigia arcuata Se han realizado para observar el papel del ácido abscísico (ABA), como L. arcuata Se sabe que exhibe plasticidad fenotípica y tiene dos tipos diferentes de hojas, el tipo aéreo (hojas que tocan el aire) y el tipo sumergido (hojas que están bajo el agua). [17] Al agregar ABA a las tomas submarinas de L. arcuata, la planta pudo producir hojas de tipo aéreo bajo el agua, lo que sugiere que el aumento de las concentraciones de ABA en los brotes, probablemente causado por el contacto con el aire o la falta de agua, desencadena el cambio del tipo de hoja sumergida al tipo aéreo. Esto sugiere el papel de ABA en el cambio fenotípico de las hojas y su importancia en la regulación del estrés a través del cambio ambiental (como la adaptación de estar bajo el agua a por encima del agua). En el mismo estudio, se demostró que otra fitohormona, el etileno, inducía el fenotipo de hoja sumergida a diferencia del ABA, que inducía el fenotipo de hoja aérea. Debido a que el etileno es un gas, tiende a permanecer endógenamente dentro de la planta cuando está bajo el agua; este crecimiento en la concentración de etileno induce un cambio de hojas aéreas a sumergidas y también se ha demostrado que inhibe la producción de ABA, aumentando aún más el crecimiento de hojas de tipo sumergido. Estos factores (temperatura, disponibilidad de agua y fitohormonas) contribuyen a los cambios en la morfología de las hojas a lo largo de la vida de las plantas y son vitales para maximizar la aptitud de las plantas.

Animales Editar

Se han demostrado los efectos sobre el desarrollo de la nutrición y la temperatura. [18] El lobo gris (Canis lupus) tiene una amplia plasticidad fenotípica. [19] [20] Además, las mariposas machos de madera moteada tienen dos morfos: uno con tres puntos en sus alas traseras y otro con cuatro puntos en sus alas traseras. El desarrollo del cuarto punto depende de las condiciones ambientales, más específicamente, la ubicación y la época del año. [21] En anfibios, Pristimantis mutabilis tiene una plasticidad fenotípica notable. [22] Otro ejemplo es el pingüino penacho amarillo del sur. [23] Los pingüinos penacho amarillo están presentes en una variedad de climas y ubicaciones en las aguas subtropicales de la isla de Amsterdam, las aguas costeras subárticas del archipiélago Kerguelen y las aguas costeras subantárticas del archipiélago Crozet. [23] Debido a la plasticidad de las especies, son capaces de expresar diferentes estrategias y comportamientos de alimentación dependiendo del clima y el medio ambiente. [23] Un factor principal que ha influido en el comportamiento de la especie es el lugar donde se encuentran los alimentos. [23]

Editar temperatura

Las respuestas plásticas a la temperatura son esenciales entre los organismos ectotérmicos, ya que todos los aspectos de su fisiología dependen directamente de su entorno térmico. Como tal, la aclimatación térmica implica ajustes fenotípicos que se encuentran comúnmente en todos los taxones, como cambios en la composición de lípidos de las membranas celulares. El cambio de temperatura influye en la fluidez de las membranas celulares al afectar el movimiento de las cadenas de acilo graso de los glicerofosfolípidos. Debido a que mantener la fluidez de la membrana es fundamental para la función celular, los ectotermos ajustan la composición de fosfolípidos de sus membranas celulares de manera que la fuerza de las fuerzas de van der Waals dentro de la membrana cambia, manteniendo así la fluidez a través de las temperaturas. [24]

Dieta Editar

La plasticidad fenotípica del sistema digestivo permite que algunos animales respondan a los cambios en la composición de nutrientes de la dieta, [25] [26] la calidad de la dieta, [27] [28] y las necesidades energéticas. [29] [30] [31]

Los cambios en la composición de nutrientes de la dieta (la proporción de lípidos, proteínas y carbohidratos) pueden ocurrir durante el desarrollo (por ejemplo, el destete) o con cambios estacionales en la abundancia de diferentes tipos de alimentos. Estos cambios en la dieta pueden provocar plasticidad en la actividad de determinadas enzimas digestivas en el borde en cepillo del intestino delgado. Por ejemplo, en los primeros días después de la eclosión, los gorriones domésticos que anidan (Passer domesticus) transición de una dieta de insectos, alta en proteínas y lípidos, a una dieta basada en semillas que contiene principalmente carbohidratos, este cambio de dieta se acompaña de un aumento al doble de la actividad de la enzima maltasa, que digiere los carbohidratos. [25] Aclimatar a los animales a dietas ricas en proteínas puede aumentar la actividad de la aminopeptidasa-N, que digiere las proteínas. [26] [32]

Las dietas de mala calidad (aquellas que contienen una gran cantidad de material no digerible) tienen concentraciones más bajas de nutrientes, por lo que los animales deben procesar un mayor volumen total de alimentos de mala calidad para extraer la misma cantidad de energía que lo harían de un alimento de alta calidad. dieta. Muchas especies responden a dietas de mala calidad aumentando su ingesta de alimentos, agrandando los órganos digestivos y aumentando la capacidad del tracto digestivo (p. Ej., Ratones de campo de pradera, [31] jerbos de Mongolia, [28] codornices japonesas, [27] patos de madera, [33 ] ánades reales [34]). Las dietas de mala calidad también dan como resultado concentraciones más bajas de nutrientes en la luz del intestino, lo que puede causar una disminución en la actividad de varias enzimas digestivas. [28]

Los animales suelen consumir más alimentos durante los períodos de alta demanda energética (por ejemplo, la lactancia o la exposición al frío en las endotermas), esto se ve facilitado por un aumento en el tamaño y la capacidad de los órganos digestivos, que es similar al fenotipo producido por dietas de mala calidad. Durante la lactancia, el degus común (Octodon degus) aumentan la masa de su hígado, intestino delgado, intestino grueso y ciego en un 15-35%. [29] Los aumentos en la ingesta de alimentos no provocan cambios en la actividad de las enzimas digestivas porque las concentraciones de nutrientes en la luz intestinal están determinadas por la calidad de los alimentos y no se ven afectadas. [29] La alimentación intermitente también representa un aumento temporal en la ingesta de alimentos y puede inducir cambios dramáticos en el tamaño del intestino de la pitón birmana (Python molurus bivittatus) puede triplicar el tamaño de su intestino delgado solo unos días después de la alimentación. [35]

AMY2B (Alfa-Amilasa 2B) es un gen que codifica una proteína que ayuda con el primer paso en la digestión del almidón y el glucógeno de la dieta. Una expansión de este gen en los perros permitiría a los primeros perros explotar una dieta rica en almidón mientras se alimentaban de los desechos de la agricultura. Los datos indicaron que los lobos y el dingo tenían solo dos copias del gen y el Husky siberiano que está asociado con los cazadores-recolectores tenía solo tres o cuatro copias, mientras que el Saluki que está asociado con el Creciente Fértil donde se originó la agricultura tenía 29 copias. Los resultados muestran que, en promedio, los perros modernos tienen un alto número de copias del gen, mientras que los lobos y los dingos no. El alto número de copias de las variantes de AMY2B probablemente ya existía como una variación permanente en los primeros perros domésticos, pero se expandió más recientemente con el desarrollo de grandes civilizaciones basadas en la agricultura. [36]

Parasitismo Editar

La infección por parásitos puede inducir plasticidad fenotípica como un medio para compensar los efectos perjudiciales causados ​​por el parasitismo. Por lo general, los invertebrados responden a la castración parasitaria o al aumento de la virulencia del parásito con compensación de fecundidad para aumentar su rendimiento reproductivo o aptitud. Por ejemplo, pulgas de agua (Daphnia magna), expuestos a parásitos microsporidianos producen más descendencia en las primeras etapas de exposición para compensar la pérdida futura de éxito reproductivo. [37] Una reducción en la fecundidad también puede ocurrir como un medio para redirigir los nutrientes a una respuesta inmune, [38] o para aumentar la longevidad del huésped. [39] Se ha demostrado en ciertos casos que esta forma particular de plasticidad está mediada por moléculas derivadas del hospedador (p. Ej., Esquistosomina en caracoles Lymnaea stagnalis infectado con trematodos Trichobilharzia ocellata) que interfieren con la acción de las hormonas reproductivas en sus órganos diana. [40] También se cree que los cambios en el esfuerzo reproductivo durante la infección son una alternativa menos costosa al aumento de la resistencia o la defensa contra los parásitos invasores, aunque puede ocurrir junto con una respuesta de defensa. [41]

Los huéspedes también pueden responder al parasitismo a través de la plasticidad fisiológica además de la reproducción. Los ratones domésticos infectados con nematodos intestinales experimentan una disminución de las tasas de transporte de glucosa en el intestino. Para compensar esto, los ratones aumentan la masa total de células de la mucosa, células responsables del transporte de glucosa, en el intestino. Esto permite que los ratones infectados mantengan la misma capacidad de absorción de glucosa y tamaño corporal que los ratones no infectados. [42]

La plasticidad fenotípica también se puede observar como cambios en el comportamiento. En respuesta a la infección, tanto los vertebrados como los invertebrados practican la automedicación, que puede considerarse una forma de plasticidad adaptativa. [43] Varias especies de primates no humanos infectados con gusanos intestinales participan en la deglución de hojas, en la que ingieren hojas enteras y rugosas que desalojan físicamente los parásitos del intestino. Además, las hojas irritan la mucosa gástrica, lo que promueve la secreción de ácido gástrico y aumenta la motilidad intestinal, eliminando eficazmente los parásitos del sistema. [44] El término "plasticidad adaptativa autoinducida" se ha utilizado para describir situaciones en las que un comportamiento bajo selección provoca cambios en los rasgos subordinados que, a su vez, mejoran la capacidad del organismo para realizar el comportamiento. [45] Por ejemplo, las aves que se involucran en la migración altitudinal pueden realizar "pruebas de funcionamiento" que duran unas pocas horas y que inducen cambios fisiológicos que mejoran su capacidad para funcionar a gran altura. [45]

Orugas de oso lanudo (Grammia incorrupta) infectados con moscas taquínidas aumentan su supervivencia al ingerir plantas que contienen toxinas conocidas como alcaloides de pirrolizidina. Se desconoce la base fisiológica de este cambio de comportamiento; sin embargo, es posible que, cuando se activa, el sistema inmunológico envíe señales al sistema del gusto que desencadenan la plasticidad en las respuestas alimentarias durante la infección. [43]

La rana arborícola de ojos rojos, Agalychnis callidryas, es una rana arbórea (hylid) que reside en los trópicos de Centroamérica. A diferencia de muchas ranas, la rana arborícola de ojos rojos tiene huevos arbóreos que se colocan en hojas que cuelgan sobre estanques o charcos grandes y, al nacer, los renacuajos caen al agua debajo. Uno de los depredadores más comunes que encuentran estos huevos arbóreos es la serpiente de ojos de gato, Leptodeira septentrionalis. Para escapar de la depredación, las ranas arborícolas de ojos rojos han desarrollado una forma de plasticidad adaptativa, que también puede considerarse plasticidad fenotípica, cuando se trata de la edad de eclosión, la nidada puede eclosionar prematuramente y sobrevivir fuera del huevo cinco días después. oviposición cuando se enfrenta a una amenaza inmediata de depredación. Las nidadas de huevos toman información importante de las vibraciones que se sienten a su alrededor y la usan para determinar si están en riesgo de depredación o no. En caso de ataque de serpiente, el embrague identifica la amenaza por las vibraciones emitidas que, a su vez, estimulan la eclosión casi instantáneamente. En un experimento controlado realizado por Karen Warkentin, se observaron la tasa de eclosión y las edades de las ranas arborícolas de ojos rojos en nidadas que fueron y no fueron atacadas por la serpiente de ojos de gato. Cuando una nidada fue atacada a los seis días de edad, toda la nidada eclosionó al mismo tiempo, casi instantáneamente. Sin embargo, cuando una nidada no se presenta con la amenaza de depredación, los huevos eclosionan gradualmente con el tiempo, los primeros huevos eclosionan alrededor de siete días después de la oviposición y los últimos huevos eclosionan alrededor del día diez. El estudio de Karen Warkentin explora más a fondo los beneficios y las compensaciones de la plasticidad de la eclosión en la rana arborícola de ojos rojos. [46]

Por lo general, se piensa que la plasticidad es una adaptación evolutiva a la variación ambiental que es razonablemente predecible y ocurre dentro de la vida útil de un organismo individual, ya que permite a los individuos "ajustar" su fenotipo a diferentes entornos. [47] [48] Si el fenotipo óptimo en un ambiente dado cambia con las condiciones ambientales, entonces la capacidad de los individuos para expresar diferentes rasgos debería ser ventajosa y, por lo tanto, seleccionada. Por lo tanto, la plasticidad fenotípica puede evolucionar si la aptitud darwiniana aumenta al cambiar el fenotipo. [49] [50] Debería aplicarse una lógica similar en la evolución artificial que intenta introducir plasticidad fenotípica a los agentes artificiales. [51] Sin embargo, los beneficios de aptitud física de la plasticidad pueden verse limitados por los costos energéticos de las respuestas plásticas (por ejemplo, sintetizar nuevas proteínas, ajustar la proporción de expresión de las variantes de isoenzimas, mantener la maquinaria sensorial para detectar cambios), así como la predictibilidad y confiabilidad de las señales ambientales. [52] (ver Hipótesis de aclimatación beneficiosa).

Caracoles de agua dulce (Physa virgata), proporcionan un ejemplo de cuándo la plasticidad fenotípica puede ser adaptativa o desadaptativa. En presencia de un depredador, el pez luna bluegill, estos caracoles hacen que la forma de su caparazón sea más redondeada y reducen el crecimiento. Esto los hace más resistentes al aplastamiento y mejor protegidos de la depredación. Sin embargo, estos caracoles no pueden diferenciar las señales químicas entre el pez luna depredador y el no depredador. Por lo tanto, los caracoles responden de manera inapropiada a los peces luna no depredadores produciendo una forma de concha alterada y reduciendo el crecimiento. Estos cambios, en ausencia de un depredador, hacen que los caracoles sean susceptibles a otros depredadores y limitan la fecundidad. Por lo tanto, estos caracoles de agua dulce producen una respuesta adaptativa o desadaptativa a la señal ambiental dependiendo de si el pez luna depredador está realmente presente. [53] [54]

Dada la profunda importancia ecológica de la temperatura y su variabilidad predecible en grandes escalas espaciales y temporales, se ha planteado la hipótesis de que la adaptación a la variación térmica es un mecanismo clave que dicta la capacidad de los organismos para la plasticidad fenotípica. [55] Se cree que la magnitud de la variación térmica es directamente proporcional a la capacidad plástica, de modo que las especies que han evolucionado en el clima cálido y constante de los trópicos tienen una menor capacidad de plasticidad en comparación con las que viven en hábitats templados variables. Esta idea, denominada "hipótesis de la variabilidad climática", ha sido apoyada por varios estudios de la capacidad plástica a lo largo de latitudes tanto en plantas como en animales. [56] [57] Sin embargo, estudios recientes de Drosophila las especies no han podido detectar un patrón claro de plasticidad sobre gradientes latitudinales, lo que sugiere que esta hipótesis puede no ser cierta para todos los taxones o para todos los rasgos.[58] Algunos investigadores proponen que las medidas directas de la variabilidad ambiental, utilizando factores como la precipitación, son mejores predictores de la plasticidad fenotípica que la latitud sola. [59]

Los experimentos de selección y los enfoques de evolución experimental han demostrado que la plasticidad es un rasgo que puede evolucionar cuando está bajo selección directa y también como una respuesta correlacionada a la selección en los valores promedio de rasgos particulares. [60]

Se prevé que durante los próximos 100 años se producirán tasas sin precedentes de cambio climático como resultado de la actividad humana. [61] La plasticidad fenotípica es un mecanismo clave con el que los organismos pueden hacer frente a un clima cambiante, ya que permite a los individuos responder al cambio durante su vida. [62] Se cree que esto es particularmente importante para especies con tiempos de generación prolongados, ya que las respuestas evolutivas a través de la selección natural pueden no producir cambios lo suficientemente rápido como para mitigar los efectos de un clima más cálido.

La ardilla roja norteamericana (Tamiasciurus hudsonicus) ha experimentado un aumento de la temperatura media durante esta última década de casi 2 ° C. Este aumento de temperatura ha provocado un aumento en la abundancia de conos de abeto blanco, principal fuente de alimento para la reproducción en invierno y primavera. En respuesta, la fecha media de parto durante la vida de esta especie ha avanzado 18 días. La abundancia de alimentos mostró un efecto significativo en la fecha de reproducción con hembras individuales, lo que indica una gran cantidad de plasticidad fenotípica en este rasgo. [63]


La variación ambiental impacta en la expresión y selección de rasgos en la simbiosis leguminosa-rizobio

Premisa: Es bien sabido que los resultados ecológicos del mutualismo cambian a través de entornos abióticos o bióticos, pero pocos estudios han abordado cómo los diferentes entornos impactan en las respuestas evolutivas, incluida la intensidad de la selección y la expresión de la variación genética en rasgos clave relacionados con el mutualismo.

Métodos: Plantamos 30 líneas maternas de la leguminosa Medicago lupulina en cuatro huertos comunes de campo y comparamos nuestras medidas de selección y varianza genética en la nodulación, un rasgo clave que refleja la inversión de leguminosas en la simbiosis, con las de un experimento de invernadero anterior utilizando los mismos 30 M .Lupulina líneas.

Resultados: Descubrimos que tanto la varianza media como genética para la nodulación eran mucho mayores en el invernadero que en el campo y que la forma de selección en la nodulación difería significativamente entre los ambientes. También encontramos efectos significativos de genotipo por ambiente (G × E) para los rasgos relacionados con la aptitud que fueron generados por diferencias en el orden de clasificación de las líneas de plantas entre ambientes.

Conclusiones: En general, nuestros resultados sugieren que la expresión de la variación genotípica y la selección en la nodulación difieren entre los entornos. En el campo, los cambios significativos en el orden de clasificación para la aptitud de las plantas potencialmente ayudan a mantener la variación genética en las poblaciones naturales, incluso frente a la selección direccional o estabilizadora.

Palabras clave: Medicago lupulina Ensifer spp. Experimento de campo de jardín común Interacciones genotipo por medio ambiente Genética cuantitativa Interacciones de selección por medio ambiente Simbiosis.


Determinación de las causas ambientales de los efectos biológicos: la necesidad de una dimensión fisiológica mecanicista en la biología de la conservación.

El campo emergente de la fisiología de la conservación vincula el cambio ambiental y el éxito ecológico mediante la aplicación de teorías, enfoques y herramientas fisiológicas para dilucidar y abordar los problemas de conservación. La actividad humana ha cambiado el entorno natural hasta un punto en el que la viabilidad de muchos ecosistemas está ahora amenazada. Ya existen muchas descripciones de cómo los cambios en los patrones biológicos se correlacionan con los cambios ambientales. El siguiente paso importante es determinar la relación causal entre la variabilidad ambiental y los sistemas biológicos. La fisiología proporciona el vínculo mecanicista entre el cambio ambiental y los patrones ecológicos. Por lo tanto, la investigación fisiológica debe integrarse en la conservación para predecir las consecuencias biológicas de la actividad humana e identificar las especies o poblaciones más vulnerables.

Fisiología de la conservación puede definirse como la aplicación de la teoría, los enfoques y las herramientas fisiológicas para dilucidar y abordar los problemas de conservación con el objetivo de proporcionar una comprensión mecanicista de cómo las perturbaciones ambientales y los procesos amenazadores afectan las respuestas fisiológicas y, por lo tanto, la función ecológica, la persistencia de la población y la supervivencia de las especies.

1. Introducción

La importancia de abordar los problemas de conservación, como el cambio climático, las enfermedades emergentes y la pérdida de hábitat, radica en preservar la integridad de los ecosistemas a escala local y global. La biodiversidad es esencial para proporcionar ecosistemas utilitarios que puedan sustentar la subsistencia humana, así como valores culturales que confieren un sentido de identidad. Por tanto, un entorno natural que funcione correctamente y el mantenimiento de la biodiversidad son fundamentales para el bienestar humano [1]. El cambio climático y la degradación del medio ambiente ya han tenido consecuencias negativas para la subsistencia y la salud humanas y, por tanto, el éxito económico [2, 3]. El declive regional de la agricultura [4] y de algunas pesquerías [5-8] son ​​ejemplos de problemas ambientales y ecológicos que pueden atribuirse directamente a la actividad humana. El tema más crucial es frenar los impactos antropogénicos en los sistemas naturales y así mantener los ecosistemas en funcionamiento. Existe buena evidencia de que la conservación puede funcionar [1,9], y nuestro objetivo aquí es ayudar a mejorar la efectividad de las medidas de conservación al vincular la fisiología y la ecología en un marco mecanicista, proporcionando así una base de conocimiento más sólida para la toma de decisiones.

Cualquier medida de conservación requiere información científica sólida sobre los efectos que las alteraciones del hábitat resultantes de la actividad humana tienen en los sistemas naturales [10]. Incluso si existiera la voluntad política para reducir todo impacto humano, esto es logísticamente imposible. Por tanto, la conservación debe ser selectiva y pragmática. Las decisiones deben basarse en la comprensión de los impactos que determinadas actividades humanas tienen en los ecosistemas, de modo que se puedan maximizar los beneficios de las acciones correctivas y se minimicen los costos para la sociedad. En otras palabras, existe una necesidad urgente de comprender el vínculo entre la causa (es decir, la actividad humana) y su efecto en la función biológica de los individuos a los ecosistemas. Aquí sostenemos que en muchos, si no en la mayoría de los casos, la fisiología de los individuos proporciona este vínculo entre causa y efecto y, por lo tanto, puede explicar los patrones ecológicos. Las capacidades y respuestas fisiológicas actúan como un filtro entre el cambio ambiental y el desempeño ecológico de los individuos y, por lo tanto, las poblaciones y especies [11, 12] (figura 1).

Figura 1. La fisiología actúa como un filtro entre los cambios ambientales y la ecología y la biodiversidad. Los cambios ambientales son el resultado del cambio global y la destrucción del hábitat, por ejemplo, que conducen a cambios en variables físicas como la temperatura, el pH, etc. La respuesta fisiológica de los organismos a estos cambios determinará las funciones relacionadas con la aptitud física, como el metabolismo, el crecimiento y el comportamiento. y finalmente reproducción. Estas funciones son elementos clave que determinan las relaciones ecológicas y la persistencia de especies en hábitats particulares y, por tanto, la biodiversidad. Fotos J. Smith (paneles de la izquierda, con permiso) y F. Seebacher (panel de la derecha).

2. La actividad humana modifica los entornos abióticos y bióticos.

El cambio ambiental es natural y ocurre en diferentes escalas de tiempo. Por ejemplo, el forzamiento natural puede causar un cambio climático regional en escalas de tiempo de 1 a 10 años [13], y los registros paleoclimáticos de todo el mundo muestran que las fluctuaciones climáticas regionales de hasta 8-16 ° C se produjeron repetidamente en períodos inferiores a 10 años [14]. Estos cambios climáticos regionales han tenido un impacto directo en las sociedades humanas [2]. Es importante destacar que el forzamiento por la actividad humana acelera el cambio climático a escala regional y mundial. La actividad humana, como la deforestación extensa, puede haber afectado al clima desde la prehistoria en Europa [15]. Sin embargo, el reciente cambio climático inducido por el aumento de CO2 las emisiones a partir de finales del siglo XX siguen sin precedentes [15,16]. Los aumentos resultantes de la temperatura y la acidificación de los sistemas marinos son globales [16], aunque los aumentos de temperatura pueden ser mucho más pronunciados en los "puntos críticos" del cambio climático. Por ejemplo, la temperatura del mar en el sureste de Australia ha aumentado mucho más rápidamente (de 2 a 3 ° C desde mediados del siglo XX) que el promedio mundial [17]. Los cambios regionales y de pequeña escala en el medio ambiente también son impulsados ​​por las prácticas locales de uso de la tierra [18]. La deforestación y el desmonte afectan la biodiversidad mediante la remoción directa de especies. La remoción directa de especies, ya sea como resultado del desmonte o de la explotación para uso humano, altera la disponibilidad de recursos, como refugio y alimento, para niveles tróficos más altos. El desmonte causa calentamiento climático al agregar CO2 a la atmósfera y disminuyendo la evaporación, pero también puede tener un efecto de enfriamiento al cambiar el albedo de la superficie [18]. La eliminación de la cubierta vegetal afecta la dinámica hidrológica del suelo y puede contribuir a una mayor salinización de los sistemas de agua dulce [19,20].

Otros impactos importantes en el medio ambiente físico a escala mundial o regional son el resultado de la contaminación. El vertido o derrame de productos químicos industriales tiene un impacto directo en el medio ambiente. Ejemplos de efectos negativos sobre la biodiversidad son los derrames químicos de las presas de relaves de minas, como en los ríos relativamente prístinos de Nueva Guinea [21]. La estrategia militar de defoliación, mediante la cual las fuerzas estadounidenses arrojaron cientos de miles de toneladas de herbicidas en los bosques de Vietnam en las décadas de 1960 y 1970, ha provocado una deforestación y contaminación a gran escala, cuyos efectos aún están presentes en la actualidad [22]. A escala mundial, el aumento de la radiación ultravioleta (UV) como resultado de la liberación de hidrofluorocarbonos puede afectar a los ecosistemas al alterar diferentes etapas del ciclo de vida de especies vulnerables, y su efecto puede verse agravado por otros factores de estrés como la contaminación [23, 24].

3. El éxito ecológico se combina con las condiciones ambientales a través de la sensibilidad de los sistemas fisiológicos.

Está bien establecido que los cambios en el ambiente abiótico afectan la fisiología de los organismos en múltiples niveles. Una gran proporción del éxito reproductivo y la aptitud individual está determinada por la fisiología, de modo que el cambio ambiental afecta la aptitud por su efecto sobre la fisiología. El tiempo hasta la madurez sexual depende de la tasa de crecimiento y, por tanto, de la capacidad de asimilación y metabolismo de la energía [25]. La búsqueda de alimento, la competencia y el comportamiento reproductivo de los animales son una función del rendimiento locomotor y, por lo tanto, de la fisiología y el metabolismo de los músculos [26, 27].

La eficacia del metabolismo y la fisiología muscular, así como la mayoría de los otros sistemas fisiológicos, depende del entorno celular (temperatura, pH, equilibrio ácido-base, etc.), que está influenciado por el entorno externo. Los cambios en la temperatura corporal, por ejemplo, afectan las tasas de reacción bioquímica y la mayoría de los organismos funcionan mejor dentro de un rango relativamente estrecho de temperaturas corporales. Debido a que las sensibilidades térmicas de las velocidades de reacción individuales varían, el desafío para los organismos radica en mantener la estequiometría de su compleja bioquímica celular, que se verá alterada por un cambio en el ambiente térmico. Los aumentos o disminuciones en los medios o la variabilidad de las temperaturas ambientales operativas cambian la temperatura corporal directamente en aquellos organismos que no se termorregulan, o cambian el contexto ambiental dentro del cual los animales se termorregulan [28]. En las endotermas, una disminución de las temperaturas ambientales provocará un aumento en la producción de calor metabólico y, a la inversa, los aumentos de temperatura disminuirán la producción de calor metabólico. Los ectotermos pueden responder a los cambios en la temperatura ambiental seleccionando diferentes microhábitats, como un mayor uso de refugios para minimizar la absorción de radiación solar en ambientes cálidos [29]. Además de las respuestas conductuales, muchos ectotermos modulan su bioquímica celular para compensar los efectos térmicos, por ejemplo, cambiando cuantitativa o cualitativamente la expresión de las enzimas que limitan la velocidad [30,31]. En todos los casos, el cambio en la necesidad fisiológica que resulta de un cambio en el medio ambiente alterará el uso de recursos de los individuos. En los ejemplos anteriores, los requisitos de energía y la utilización del entorno estructural cambian, los cuales tienen importantes consecuencias ecológicas al cambiar la alimentación y la depredación, y la competencia por microhábitats particulares. Existen relaciones similares a las discutidas brevemente anteriormente para la temperatura para cambios en otras variables ambientales abióticas, como la radiación UV-B, CO2 niveles, precipitaciones y deshidratación, hipoxia y salinidad. Por lo tanto, los requisitos fisiológicos están en la interfaz entre el cambio ambiental y la ecología (figura 1).

Es importante destacar que la fisiología también media las interacciones bióticas. Estas interacciones pueden estar anidadas dentro del efecto de impulsores abióticos como en el ejemplo anterior, donde las necesidades energéticas de termorregulación cambian en diferentes contextos ambientales. La nutrición, con respecto a las necesidades energéticas y de macronutrientes, determina en particular las interacciones entre organismos [32,33]. A nivel cuantitativo, la densidad de presas determinará el número de depredadores [34], pero esta relación cambiará con los cambios ambientales en los requisitos energéticos, como la termorregulación. Los diferentes contextos abióticos también pueden cambiar los requisitos de macronutrientes de los individuos y, por lo tanto, cambiar la necesidad de la calidad de la presa además de la cantidad. Por ejemplo, la temperatura afecta los requisitos relativos de macronutrientes en la trucha, y el pescado a temperaturas cálidas requiere relativamente más proteínas que a temperaturas más frías [35]. Como resultado, el comportamiento de búsqueda de alimento debe ajustarse para cumplir con los objetivos de ingesta, y las presiones de depredación se trasladan a diferentes especies de presas, lo que podría conducir a un cambio en la estructura y las interacciones de la comunidad [33].

De manera similar, la disminución de los niveles de oxígeno acuático en los sistemas fluviales de agua dulce puede afectar la ecología del buceo de las tortugas que respiran bimodalmente, lo que les obliga a gastar más energía en la superficie con más frecuencia para adquirir oxígeno del aire, pero también aumenta el riesgo de depredación, especialmente en las crías. mientras nadan a través de la columna de agua [36]. Los cambios en la salinidad de los sistemas de agua dulce también cambian las actividades de las ATPasas para la regulación de iones [37] y, por lo tanto, modulan la ingesta de energía y, por lo tanto, el impacto que los individuos tienen en su comunidad ecológica.

La mayoría de las especies poseen un grado de plasticidad que permite la persistencia en una variedad de condiciones ambientales. Sin embargo, existe un límite para la compensación fisiológica de la variabilidad ambiental [38,39]. Si las condiciones ambientales se vuelven demasiado extremas, puede producirse un daño celular directo y los animales se volverán más susceptibles a las enfermedades [40] y, en última instancia, se producirán extinciones.

4. Los sistemas fisiológicos pueden compensar el cambio ambiental, hasta cierto punto

El efecto de la variación ambiental sobre la función fisiológica (fenotipo) puede ser modulado por respuestas compensatorias. Tales respuestas pueden ocurrir en diferentes escalas de tiempo: entre generaciones (adaptación genética) [41], durante el desarrollo (plasticidad del desarrollo) [42,43] para que los fenotipos se correspondan con las condiciones ambientales predominantes, y dentro de la vida adulta como plasticidad reversible (aclimatación y aclimatación) [44-46] y migración [47,48].

La "estrategia adaptativa" óptima de los organismos depende de la irregularidad o "grano" del medio ambiente [49]. Un entorno de grano grueso fluctúa entre distintos estados y un individuo está expuesto a solo uno. El rendimiento y la aptitud en un entorno de grano grueso pueden maximizarse mediante la adaptación genética si las condiciones ambientales permanecen estables a lo largo de las generaciones, y mediante la plasticidad del desarrollo si el entorno permanece estable durante la vida del organismo [49,50]. En un entorno de grano fino, un individuo experimenta numerosos parches, por lo que la aptitud total será la suma de los componentes individuales de aptitud de cada parche, y la aclimatación reversible mejoraría el rendimiento y la aptitud [30,51]. En teoría [49,52], los entornos de grano grueso producirán fenotipos que están especializados (adaptados) a las condiciones relativamente estables experimentadas, mientras que los entornos de grano fino producen generalistas que se desempeñan bien en una gama más amplia de condiciones ambientales, aunque a un nivel reducido. en otras palabras, los generalistas compensan el rendimiento máximo por la amplitud del rendimiento. Sin embargo, este no tiene por qué ser el caso si la aclimatación reversible puede compensar la variación ambiental experimentada durante la vida, lo que conduce efectivamente a 'generalistas especializados' en los que las condiciones en las que se producen los óptimos de rendimiento siguen los cambios en las condiciones ambientales sin pérdida de rendimiento [51,53 ].

La mayoría de las especies experimentan variaciones tanto de grano fino como grueso en varias dimensiones temporales (por ejemplo, diurnas, estacionales y geológicas) y espaciales (por ejemplo, microhábitat y latitud), así como la interacción de las dos resultante del movimiento de animales dentro de los hábitats [54], entre hábitats geográficamente separados [48], o como consecuencia de etapas del ciclo de vida que ocupan diferentes hábitats [55]. Por lo tanto, la irregularidad de escala fina en una escala temporal corta se agrega a la variación de escala gruesa en períodos más largos. La irregularidad del entorno cambia naturalmente, por ejemplo, con la estación o la latitud. Sin embargo, pueden surgir problemas de conservación cuando las actividades humanas alteran la irregularidad y, por lo tanto, alteran las estrategias evolutivas. Los patrones locales de uso de la tierra, como la deforestación y las actividades agrícolas, y el cambio climático antropogénico, por ejemplo, pueden alterar la irregularidad del medio ambiente, de grano fino y grueso, respectivamente.

La importancia relativa de la plasticidad y la adaptación dependerá, en primer lugar, de la relación entre la esperanza de vida y la tasa de cambio ambiental y, en segundo lugar, de la tasa de cambio fenotípico en relación con el cambio ambiental. La importancia de la esperanza de vida es que las especies con una esperanza de vida muy corta pueden experimentar solo un entorno distinto (de grano grueso), por lo que la adaptación genética entre generaciones y posiblemente la plasticidad del desarrollo serán las respuestas más importantes. Sin embargo, muchas especies también experimentarán al menos alguna variación durante su vida. En este caso, la estrategia adaptativa óptima será un fenotipo plástico que pueda aclimatarse a cada uno de los extremos predecibles, además de la adaptación genética a gradientes latitudinales y altitudinales [12,56,57].

Idealmente, la aptitud se maximiza cuando los organismos pueden funcionar a un nivel constante a pesar de la variabilidad ambiental. Sin embargo, es imposible que el fenotipo pueda cambiar al mismo tiempo que el medio ambiente, si el cambio ambiental proporciona la señal para el cambio fenotípico. Por lo tanto, siempre habrá un desfase entre los dos.El retraso en la respuesta fenotípica puede excluir la plasticidad, cuando la tasa de cambio ambiental es mayor que el potencial de cambio fenotípico. Por lo tanto, una fluctuación ambiental con un período mucho más corto que el tiempo de respuesta fisiológica no podría actuar como un estímulo para el cambio fenotípico. Por ejemplo, se necesitarán varias semanas para que los cambios en la expresión génica metabólica y las actividades enzimáticas compensen un cambio crónico de temperatura [58, 59] de modo que la fluctuación diaria de la temperatura no afecte la capacidad metabólica. Generalmente, los cambios agudos de temperatura que resultan del movimiento a través de diferentes microclimas, cambios climáticos y fluctuaciones diurnas pueden afectar las tasas fisiológicas en tiempo real, pero no afectan las capacidades. De manera similar, la adaptación genética ocurrirá solo cuando la tasa de cambio ambiental sea más lenta que la del cambio genotípico. La actividad humana es a menudo rápida en relación con la velocidad de los procesos de adaptación e incluso en relación con la vida útil de muchos organismos. Por lo tanto, la adaptación genética puede desempeñar un papel menor en la respuesta a los cambios ambientales inducidos por el hombre que la plasticidad reversible y del desarrollo. Esto significa que la capacidad de aclimatación jugará un papel predominante en la determinación de la vulnerabilidad de los organismos al cambio ambiental. La actividad humana afectará a las especies dentro del mismo hábitat de manera diferente, dependiendo de su capacidad de plasticidad fisiológica y vida útil, estas últimas características por sí solas pueden proporcionar datos de antecedentes valiosos que informan las decisiones de conservación.

Incluso en la mayoría de los organismos plásticos, sin embargo, la capacidad de compensar el cambio ambiental tiene sus límites [38]. Estos límites pueden ser establecidos por recursos ambientales inadecuados, como el suministro de energía y nutrientes, que pueden restringir el crecimiento, la locomoción y otros procesos que consumen energía [32, 60, 61]. Los límites también pueden ser establecidos por restricciones bioquímicas como una mayor ineficiencia de las mitocondrias en la producción de energía química (ATP), o por la producción de especies reactivas de oxígeno, que causan daño a las membranas y proteínas [31,62,63]. Más allá de estos límites, la aptitud física disminuirá como resultado de la disminución del rendimiento y la acumulación de daños y enfermedades. La conservación exitosa debe predecir estos límites y, si es posible, mantener el rango de fluctuaciones ambientales dentro de los límites de las respuestas efectivas de los organismos. La comprensión de la capacidad de plasticidad individual que puede compensar los cambios inducidos por el hombre es de particular importancia a la luz de entornos que cambian rápidamente. Es poco probable que todas las especies o poblaciones de una región tengan las mismas capacidades y limitaciones. Sin embargo, conocer los límites de las respuestas fisiológicas a las perturbaciones ambientales permitirá identificar los elementos del ecosistema que son más vulnerables a determinadas actividades humanas.

5. La fisiología puede detectar causa y efecto para determinar vulnerabilidades al cambio ambiental.

Hasta la fecha, la mayor parte de la información sobre las respuestas biológicas a los cambios ambientales antropogénicos, y en particular al cambio climático, consiste en correlaciones entre variables ambientales y biológicas [64,65]. Por ejemplo, los cambios hacia el norte en la distribución de organismos marinos y terrestres en el hemisferio norte se han asociado con la evitación de temperaturas crecientes en latitudes más bajas causadas por el cambio climático antropogénico [66,67]. Los inviernos más cortos y las primaveras suaves resultantes del calentamiento global se han correlacionado con la floración más temprana de las plantas y otros cambios en la fenología [68]. Estos datos correlacionales son esenciales para comprender el impacto potencial del cambio climático en los sistemas biológicos. Sin embargo, las correlaciones no son suficientes para determinar si el cambio climático ha causado los cambios observados en la distribución o la fenología. Invariablemente, cualquier patrón biológico estará correlacionado con un gran número de patrones abióticos y bióticos, algunos conocidos, muchos desconocidos. Para determinar si un cambio en el medio ambiente puede causar el cambio observado en el patrón, se requieren pruebas experimentales [69]. Sería necesario demostrar experimentalmente, con controles adecuados, replicación y elucidación de las vías subyacentes, que la variable ambiental en cuestión puede afectar los cambios biológicos observados.

Por ejemplo, en uno de los primeros estudios que relacionó el calentamiento global con un cambio en la distribución, el parmesano et al. [66] mostró un cambio hacia el norte en la distribución de mariposas en Gran Bretaña entre 1910 y 1997. Sin embargo, durante ese período de tiempo, hubo muchos cambios en el panorama británico, y uno muy obvio fue el declive y colapso de la industria del carbón en el norte Inglaterra y Escocia (figura 2). Al trazar la abundancia de mariposas en Escocia (es decir, la distribución más septentrional) que se muestra en la fig. 1 de parmesano et al. [66] contra el número de minas de carbón en el área (datos de la Autoridad del Carbón del Reino Unido) da una correlación perfecta de r = 1 (figura 2). Aparte de la limitación inherente de solo tres puntos de datos, la figura 2 presenta claramente una hipótesis alternativa que explica los cambios en el rango de distribución de las mariposas en el Reino Unido en el último siglo. ¿Qué explicación es correcta, el calentamiento global o la contaminación por carbón, si corresponde? La única forma de determinar la respuesta correcta es mediante la experimentación. Otro ejemplo es el desplazamiento percibido de peces hacia el norte en el Mar del Norte [67] como resultado del aumento de la temperatura media del agua en el sur del Mar del Norte. Al menos para algunas especies como el bacalao (Gadus morhua), los datos publicados [70-72] muestran que los peces pueden aclimatarse bien a temperaturas superiores al aumento de temperatura observado en la temperatura media de la superficie de 11,7 ° C a 13,0 ° C en el Mar del Norte entre 1980 y 2006. De hecho, el los peces tienen más probabilidades de estar limitados por el frío a esas temperaturas que de sufrir estrés por calor. Por tanto, lo que se sabe sobre la fisiología de los peces no respalda las conclusiones extraídas del estudio correlacional de que la temperatura per se provocó cambios en la distribución. Entre las posibles explicaciones alternativas que podrían explicar el cambio en el patrón de distribución se incluyen la sobrepesca y la disminución de la abundancia de copépodos, que es la principal fuente de alimento de las larvas de bacalao [73]. El bacalao es un buen ejemplo de los desafíos que enfrenta la conservación marina, porque las complejas respuestas a la variabilidad ambiental dentro de los individuos y entre las poblaciones [8] dificultan la gestión del recurso. La fisiología de la conservación puede hacer una contribución significativa, porque comprender la plasticidad de las respuestas fisiológicas de las especies permitirá modelar las respuestas ecológicas [8] y predecir el impacto del cambio ambiental futuro. Finalmente, las correlaciones entre el cambio climático y los patrones de distribución de las aves carecen de poder predictivo y es poco probable que revelen la base mecanicista de los cambios en la distribución [74].

Figura 2. Correlación entre la distribución de mariposas y la minería del carbón. Distribuciones de mariposas (de parmesano et al. [66]) en Escocia se compararon con el número de minas de carbón en el área durante los mismos períodos de tiempo (recuadro). La fuerte correlación presenta la hipótesis alternativa de que las distribuciones de las mariposas están limitadas por la contaminación del carbón y no por el cambio climático, como sugiere Parmesan. et al. [66]).

Las correlaciones son fundamentales para proponer hipótesis que puedan explicar los patrones observados. Por lo tanto, los estudios citados anteriormente y muchos otros estudios correlacionales son extremadamente importantes. Sin embargo, las interpretaciones excesivas de las correlaciones son perjudiciales para la conservación porque una tergiversación de la causa subyacente a un patrón biológico significa que los esfuerzos de conservación están mal orientados. Aquí es donde radica la importancia de la fisiología: puede detectar la causa. Incluso en ausencia de un resultado positivo, los estudios fisiológicos bastante estándar pueden eliminar posibles explicaciones. En el ejemplo del bacalao anterior, los estudios fisiológicos han demostrado que el rendimiento locomotor [72], el metabolismo y el crecimiento de las larvas [70,72] e incluso el suministro de alimentos [75] no se ven afectados negativamente por el aumento de temperatura observado. Por lo tanto, la temperatura aumenta per se puede descartarse al explicar el cambio distributivo observado. Ahora está claro que la sobrepesca es el candidato más probable para haber causado el patrón [5]. Nos gustaría enfatizar que no queremos restar importancia a la importancia del cambio climático. En cambio, abogamos por una evaluación más estricta de sus efectos para aumentar la eficacia de las medidas de conservación. La investigación fisiológica proporciona una herramienta para identificar las causas del cambio biológico y para eliminar otras que pueden estar correlacionadas pero no las causales.

El entorno interactúa con las capacidades fisiológicas de los individuos. Las tasas de crecimiento, así como otras funciones relacionadas con la aptitud física, como la locomoción [76], dependen directamente de las capacidades fisiológicas individuales, como la producción de energía metabólica aeróbica. El crecimiento de la población, ya sea positivo o negativo, es la suma total del crecimiento y el desempeño de los individuos. Por lo tanto, un cambio en el medio ambiente que provoque un desajuste entre las condiciones ambientales y las temperaturas óptimas para el desempeño fisiológico individual puede causar disminuciones y extinciones de la población si los óptimos de desempeño se fijan dentro de las poblaciones. Por lo tanto, es necesario comprender las respuestas individuales a los entornos cambiantes y luego traducirlas en poblaciones, especies y comunidades [8, 11, 12].


Materiales y métodos

Construcción de cepas y población de mapeo F1

La construcción de la población cartográfica se describió previamente en Brion et al. (2017). Brevemente, las cepas parentales NBRC10955a ESTERAa chs3Δ y 67-588 ESTERAα chs3Δ se cruzaron en medio estándar (YPD: extracto de levadura al 1%, peptona al 2%, glucosa al 2% y agar al 2%) y se aisló un híbrido. La supresión de CHS3 permite una mejor disección de la tétrada (Sigwalt et al. 2016). La cepa híbrida se puso en medio de esporulación (acetato de potasio al 1% y agar al 2%) durante aproximadamente una semana. Después de la digestión de los asci usando zimoliasa (0,5 mg / ml de MP Biomedicals MT ImmunO 20T), se diseccionaron 120 tétradas usando un microscopio de disección MSM 400 (instrumento Singer). De las 120 tétradas disecadas, 57 eran completamente viables. Se secuenciaron las 198 cepas de 49 tétradas totalmente viables y dos de una tétrada viable al 50%. El ADN genómico extraído con el kit de purificación de ADN de levadura MasterPure (tebu-bio: ahora Lucigen) se secuenció utilizando la tecnología Illumina HiSeq 2000 con bibliotecas de extremos emparejados de 100 pb. Las lecturas se alinearon con el genoma de referencia CBS3082 usando BWA (opción -n 8 -o 2) y la cobertura promedio fue de alrededor de 70 × para todos los segregantes. Usamos los mismos marcadores genéticos que en nuestro estudio anterior. Estos 58,256 marcadores (polimorfismos de un solo nucleótido) se seleccionaron por ser altamente confiables (ver criterios en Brion et al. [2017]). Se asignó un origen alélico para cada posición de marcador de cada segregante utilizando aproximadamente los mismos criterios de fiabilidad que para la determinación de marcadores genéticos. Los datos brutos están disponibles en el European Nucleotide Archive (http://www.ebi.ac.uk/ena, consultado por última vez el 30 de abril de 2020) con el número de acceso PRJEB13706.

Condición de crecimiento y fenotipado

De los 198 segregantes secuenciados, 182 se asignaron al azar en dos placas de 96 pocillos, junto con las cepas parentales, NBRC10955a y 67-588, y el híbrido NBRC10955a × 67-588. Estas dos placas de 96 pocillos se utilizaron dos veces como matriz para crear una placa de agar YPD con 376 colonias (duplicados de los 182 segregantes y cuatro réplicas para cada padre en un formato de 384). Esta placa se utilizó como precrecimiento para la evaluación de la aptitud. Las células de las colonias se transfirieron a dos placas de agar que contenían el medio de prueba utilizando un robot de fijación automático (Singer Instrument ROTOR HDA). Esto permite un total de cuatro réplicas por cepa y por condición. La lista de las 64 condiciones de crecimiento utilizadas se describe en la tabla complementaria S1, Material complementario en línea: dos temperaturas diferentes, ocho fuentes de carbono diferentes, 12 fuentes de nitrógeno únicas diferentes, 20 compuestos tóxicos, incluidos solventes, iones o antifúngicos, a diferentes concentraciones, y cuatro pH diferentes. El pH se ajustó usando un tampón de citrato neutro. El medio base fue YP (extracto de levadura al 1%, peptona al 2% y agar al 2%), YNB (base de nitrógeno de levadura sin nitrógeno 1.7 gl -1, glucosa al 2% y agar al 2%) o SC (base de nitrógeno de levadura con nitrógeno 6,7 gl -1, complemento SC con todos los aminoácidos 2 gl -1, glucosa 2% y agar 2%). Las placas se incubaron a 30 ° C, a menos que se indique lo contrario en la tabla complementaria S1, Material complementario en línea, durante 40 h. Se analizó una imagen del escaneo de la placa en R-gitter para obtener el área de cada colonia (datos en la tabla complementaria S2, Material complementario en línea). El valor de aptitud cuantitativa se calculó como la relación entre el medio probado y el medio de referencia, con la excepción de YP glucosa 2%, donde se utilizó el tamaño de la colonia sin procesar para el valor cuantitativo.

Generación de población cartográfica F2

Utilizando los datos de genotipado, determinamos el tipo de apareamiento de las cepas segregantes F1. Generamos 69 cruces entre ESTERAa y ESTERAcepas α. Se eligieron las cepas emparejadas para mantener una proporción uniforme de ambos alelos parentales. El conjunto de híbridos se colocó en medio de esporulación (acetato de potasio al 1% y agar al 2%) durante 3-7 días a 30 ° C. Los asci de las tétradas se digirieron durante 30 min usando zymolyase (0,5 mg / ml de MP Biomedicals MT ImmunO 20T) y se diseccionaron aproximadamente diez tétradas por cruz usando un microscopio de disección MSM 400 (Singer Instrument). De 50 tétradas viables completas, seleccionamos 50 esporas (una por tétrada) para constituir la población F2. Controlamos que las cepas 50 F2 fueran haploides usando tinción de ADN de yodo propidio y citometría de flujo.

Extracción y secuenciación de ARN

El perfil del transcriptoma se realizó durante el crecimiento exponencial en rich media. Los segregantes 50 F2 y las cepas parentales fueron preñadas en YPD durante la noche. Se inoculaba un matraz de 30 ml de YPD a una densidad óptica final (DO600 λ = 600 nm) de 0,05. Se controló la DO600 y, cuando alcanzó 0,350-0,450, se filtraron 7 ml del cultivo, se lavaron con agua estéril, se congelaron inmediatamente en nitrógeno líquido y se almacenaron a -80 ° C.

Para la extracción de ARN, las células se lisaron en tampón de lisis (ácido etilendiaminotetraacético 10 mM, SDS 0,5%, TricHCl 10 mM, pH 7,5) y agua-fenol (MP AQUAPHEO01) a 65 ° C durante 1 h. La fase acuosa se purificó a partir de trazas de proteínas mediante centrifugación en tubo PLG (5prime 2302830). Después de la precipitación en etanol al 70% durante la noche, el ARN se purificó usando el kit RNeasy (Qiagen 74104, Venlo, Limburg, Países Bajos) y se limpió con tratamiento con DNasa (nº de cat. 18068-015, Invitrogen, Carlsbad, CA). La calidad se controló mediante una migración en gel de agarosa y el ARN se cuantificó mediante espectrofotometría (NanoDrop ND-1000).

La secuenciación de las 52 muestras de ARN se realizó en Gene Core Facility - EMBL (Heidelberg, Alemania) utilizando secuenciación multiplexada Illumina HiSeq2000 (lecturas de un solo extremo no orientadas de 50 pb). Los datos de lecturas sin procesar están disponibles en el European Nucleotide Archive (http://www.ebi.ac.uk/ena, consultado por última vez el 30 de abril de 2020) con el número de acceso PRJEB32833. La normalización se realizó como se describe en Brion et al. (2015). Brevemente, después de excluir genes de baja expresión (número de lecturas inferior a 32 para todas las muestras), se realizó la normalización entre muestras utilizando R y DEseq2 (R Core Team 2013 Love et al. 2014). Las expresiones génicas de la región retrocedida se normalizaron por separado debido al sesgo causado por el mayor contenido de GC. El logaritmo en base 2 del recuento de lecturas normalizadas se utilizó como valor cuantitativo para la abundancia de ARNm.

Genotipado de la población F2

Usando datos de RNA-seq, la población F2 fue genotipada determinando el origen alélico de 58,256 marcadores usados ​​previamente para la población F1. Mapeamos las lecturas de RNA-seq en el genoma de referencia e identificamos variantes usando SAMtools (Li et al. 2009). Se infirió un origen alélico en una posición del marcador si 1) la cobertura del marcador era más de 2 ×, 2) la frecuencia de alelos asociada era 0 o 1, y 3) la secuencia de bases encajaba con uno de los dos alelos parentales. De lo contrario, se asignó una bandera NA a la posición. El marcador se mantuvo para el siguiente paso si 1) estaba ubicado en una región de codificación, 2) tenía & lt30% de la población F2 que mostraba una bandera NA en su posición, y 3) mostraba una frecuencia alélica desequilibrada en la población F2 ( más de 0,7 o & lt0,3). Finalmente, después de la filtración, se retuvieron un total de 37.529 marcadores. Para reducir el tiempo de cálculo, redujimos artificialmente el número de marcadores a 3.779 utilizando pseudomarcadores cada 3 kb. El origen alelo asignado a los pseudomarcadores fue el origen alelo predominante de todos los marcadores dentro de los 4 kb del pseudomarcador. Dada la baja tasa de recombinación de L. kluyveri, esta aproximación no generó una fuerte pérdida de precisión.

Heredabilidad de la aptitud y la expresión

La heredabilidad en sentido amplio, H 2, se define como la parte de la varianza explicada por factores hereditarios. En nuestro caso, se ha definido como la varianza en la población segregante que no se explica por el ruido experimental. Para los datos de aptitud, la varianza explicada por el ruido experimental se estimó utilizando la media de la varianza entre las réplicas parentales (cuatro réplicas para las dos cepas parentales y la cepa híbrida). Para los datos de expresión, no teníamos réplicas para estimar el ruido, por lo tanto, usamos la varianza de expresión en réplicas de otro conjunto de datos de expresión en 24 L. kluyveri cepas publicadas en Brion et al. (2015). Este conjunto de datos corresponde al perfil de expresión en la misma condición (fase de registro medio, en YPD líquido) y sigue exactamente el mismo protocolo para la extracción y secuenciación de ARN.

Análisis Fitness QTL y eQTL

El análisis de ligamiento entre el fenotipo cuantitativo (índice de crecimiento y abundancia de ARNm) y el genotipo se realizó utilizando R / qtl (modelo: normal, método: regresión de Haley-Knott) (Arends et al. 2010). Los QTL fenotípicos se obtuvieron utilizando 182 segregantes F1. Los umbrales significativos de la puntuación LOD (puntuación del logaritmo de las probabilidades) se definieron individualmente para cada fenotipo realizando 1000 permutaciones y estableciendo la puntuación LOD para la cual se detectaron QTL en solo 50 permutaciones (FDR = 5%).

La expresión QTL también se obtuvo usando R / qtl (modelo: normal, método: regresión de Haley-Knott) basado en el recuento de lectura normalizado de los 50 segregantes F2 y las dos cepas parentales. Para definir el FDR, realizamos 100 permutaciones del conjunto de datos completo y procesamos el análisis eQTL. Para un rango de umbral de puntuación de LOD, el FDR se estimó como el número promedio de eQTL falsos detectados en las 100 permutaciones dividido por el número de eQTL detectados en el conjunto de datos verdaderos (figura complementaria S5, Material complementario en línea).Utilizamos un umbral de puntuación LOD significativo general de 3,7 que permitió detectar 2187 eQTL con un FDR de ~ 4%. El uso de un umbral de puntuación LOD más estricto de 4,4 habría llevado a la detección de 1.638 eQTL con un FDR de ~ 1%. Cualquier enriquecimiento funcional se probó utilizando la herramienta en línea FunSpec (Robinson et al. 2002).

Expresión QTL de S. cerevisiae y S. pombe Utilizado para la comparación entre especies

Para comparar el control genético de la expresión génica entre especies, utilizamos datos publicados del análisis eQTL en S. cerevisiae y S. pombe. Para S. cerevisiae Para los datos de eQTL, utilizamos los 36,498 eQTL obtenidos de la población de 1,012 segregantes para el cruce RM11.1a y BY4741 (0.5% de diversidad) (Albert et al.2018). Sin embargo, debido a que el poder de detección es mucho mayor debido a la gran población, solo nos enfocamos en los mejores 2,000 eQTL (2,000 puntaje LOD más alto, puntaje LOD & gt 39.3), estimando que una población de aproximadamente 50 segregantes habría permitido la identificación de estos eQTL. Para S. pombe, utilizamos los 2.346 eQTL obtenidos de un cruce entre 968 y Y0036 (0,05% de diversidad) con 44 segregantes F2 (Clément-Ziza et al. 2014).


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