Evolución del ADN repetido en el genoma vegetal

Resumen

Este trabajo pretende analizar en profundidad la evolución del ADN satélite en el genoma de plantas, para lo cual hemos estudiado dos sistemas que permiten estudiar la influencia de factores tanto intrínsecos (ubicación, organización y número de copias) como extrínsecos (evolución del grupo biológico) en el proceso de molecular drive que conduce al patrón de evolución concertada. Uno de estos sistemas biológicos lo componen las especies dioicas del género Rumex (familia Polygonaceae), en las que la familia de ADN satélite RAE180 se ha acumulado diferencialmente y muestra un patrón de distribución distinto en las diferentes especies. Mientras en las especies XX/XY el ADN satélite RAE180 se localiza en un único locus autosómico, en las especies XX/XY1Y2 además de estar presente en un locus autosómico pequeño se ha amplificado masivamente en los cromosomas Y. En este trabajo hemos encontrado que en las especies XX/XY, la comparación entre secuencias RAE180 de especies relacionadas muestra un patrón general de evolución concertada. Por el contrario, en las especies XX/XY1Y2 tanto en el locus autosómico como en el ligado al cromosoma Y, la variabilidad ancestral se ha mantenido, y se observan tasas bajas de homogeneización y de evolución concertada de las secuencias. Así, este estudio demuestra que los mecanismos moleculares de intercambio no recíproco son factores claves en el proceso de molecular drive; las familias de ADN satélite localizadas en la región no recombinante de los cromosomas Y muestran tasas bajas de evolución concertada, de modo que la variabilidad intraespecífica aumenta sin que se produzca al mismo tiempo un aumento de la divergencia entre especies. Esto contrasta con lo que ocurre en los loci que se recombinan libremente, que evolucionan de manera concertada y muestran diferenciación genética entre especies, como es el caso del locus autosómico de las especies XX/XY. No obstante, puede ocurrir alternancia entre periodos evolutivos de cambio rápido en las secuencias, y periodos evolutivos de estancamiento en los que la variabilidad se mantiene debido a la acción reducida de los mecanismos moleculares de intercambio no recíproco, como ha ocurrido en el locus autosómico de las especies XX/XY1Y2, lo cual podría depender a su vez del número de copias y de los procesos implicados en la amplificación de estas secuencias. Entre las especies de este grupo, la especie norteamericana Rumex hastatulus muestra dos razas cromosómicas, una con un sistema de cromosomas sexuales XX/XY (raza de Texas), y otra con un sistema cromosómico sexual complejo XX/XY1Y2 (raza de Carolina del Norte). Los cromosomas sexuales en los individuos de la raza de Carolina del Norte son aún eucromáticos, y no han acumulado secuencias de ADN satélite, lo que contrasta con el resto de especies dioicas del género Rumex con cromosomas XX/XY1Y2. En R. hastatulus, hemos detectado la existencia de tres subfamilias RAE180. No obstante, mientras que en la raza de Texas la subfamilia TX1/NC1 es la más abundante, en la raza de Carolina del Norte la subfamilia más abundante es la TX2/NC2. El análisis filogenético de las secuencias RAE180 de R. hastatulus más las de otras cinco especies dioicas del género Rumex apoya la hipótesis de la biblioteca, según la cual asumimos que en el genoma ancestral de las especies dioicas de Rumex se encontraban presentes un conjunto de variantes RAE180 a partir del cual cada una de ellas se amplificó diferencialmente en diferentes linajes. La amplificación diferencial del ADN satélite RAE180 en cada linaje, en diferentes momentos evolutivos, y en diferentes posiciones cromosómicas, dio lugar a distintos patrones evolutivos de sus secuencias. El otro sistema que hemos estudiado lo constituyen las especies pertenecientes a la tribu Cardueae (familia Asteraceae). Dentro de la tribu Cardueae, la subtribu Centaureinae es un grupo modelo excelente para analizar el ADN satélite y evaluar la influencia que la biología y/o la evolución de los diferentes linajes han tenido en la evolución del ADN satélite. Los análisis filogenéticos de Centaureinae reflejan dos fases de radiación, que han dado lugar a dos grupos de géneros. Además, en los diferentes linajes se observan modos de evolución distintos, que se ven reflejados tanto en la morfología de los individuos como en las secuencias de ADN. Nosotros hemos encontrado hasta ocho subfamilias diferentes de la familia de ADN satélite HinfI, identificadas por la presencia de posiciones diagnósticas compartidas por todas las secuencias pertenecientes a un mismo grupo. Las subfamilias V a VIII se encuentran predominantemente en los géneros más antiguos (primera fase de radiación dentro de la subtribu, Oligoceno-Mioceno tardíos), aunque algunas copias de estas secuencias se encuentran también presentes en algunas especies de los géneros derivados. Las subfamilias I a IV se han amplificado mayoritariamente en las especies del clado derivado (segunda fase de radiación, Plioceno a Pleistoceno), aunque las repeticiones de estas subfamilias están presentes también en las especies más antiguas. Los árboles filogenéticos no agrupan las repeticiones por afinidad taxonómica, sino que las especies se agrupan dependiendo de la subfamilia a la que pertenecen. Se observa evolución concertada en las subfamilias HinfI presentes en los géneros más antiguos, mientras que no se aprecia diferenciación genética ni entre los grupos de radiación reciente, ni entre los grupos con una historia de hibridación recurrente, llegando incluso a coexistir varias subfamilias dentro de una misma especie. Nuestros resultados sugieren que las ocho subfamilias debieron estar presentes en el ancestro común de todas las especies de Centaureinae, y que cada una de ellas se amplificó diferencialmente en los distintos géneros durante las dos fases de radiación según el modelo evolutivo de la biblioteca. Además, diferentes vías de especiación han dado lugar a diferentes patrones de evolución de las secuencias en distintos linajes. Así, la historia evolutiva de cada grupo de Centaureinae se ve reflejada en la evolución del ADN satélite. Nuestros datos refuerzan el valor de las secuencias de ADN satélite como marcadores de los procesos evolutivos que ocurren en los grupos biológicos. La clasificación de la tribu Cardueae es complicada, ya que existe controversia en la delimitación de la tribu, en la delimitación de subtribus y en la delimitación de los géneros. La clasificación actual reconoce a las subtribus Carlininae, Cardopatiinae y Echinopsinae como subtribus basales mientras que las subtribus Carduinae y Centaureinae, a las que pertenecen más del 90% de las especies de la tribu, serían derivadas. Esta clasificación no resulta totalmente satisfactoria teniendo en cuenta la probable parafilia de la subtribu Carduinae. En este trabajo hemos analizado si la familia de ADN satélite HinfI se encuentra conservada en la tribu Cardueae, y si el análisis de su evolución podría arrojar luz sobre la delimitación de las subtribus y de los géneros de esta tribu y su actual clasificación. Analizando toda la tribu, además de las ocho subfamilias mencionadas más arriba, hemos encontrado una adicional, sumando un total de nueve subfamilias diferencialmente distribuidas en diferentes especies de cada subtribu. Los árboles filogenéticos agrupan a las secuencias según la subfamilia a la que pertenecen. No obstante, cuando se comparan secuencias HinfI del mismo tipo, las distancias genéticas y los árboles filogenéticos muestran diferenciación entre los géneros y entre las subtribus en todos los casos excepto cuando se comparan secuencias HinfI de algunas especies de Centaureinae entre sí, y cuando se comparan secuencias de algunas especies de la subtribu Carduinae con especies de la subtribu Centaureinae. Con estos datos, podemos concluir que la familia de ADN satélite HinfI se encuentra conservada en el genoma de las especies de la tribu Cardueae, la que cuenta con mayor número de especies dentro de la familia Asteraceae, y que data de hace 29-24 m.a. En el ancestral común de todas las especies de Cardueae existiría una biblioteca de nueve subfamilias que se habrían amplificado diferencialmente en los distintos linajes con el consiguiente reemplazamiento de una variante por otra en las distintas especies. Este proceso conllevaría posteriormente la divergencia gradual entre repeticiones de una subfamilia compartida por un grupo de especies, lo que conduciría a la evolución concertada a una tasa que sería variable entre los diferentes linajes. Estas diferentes tasas de evolución serían las responsables de la escasa diferenciación entre especies del mismo género en algunas comparaciones. Desde un punto de vista filogenético, estos resultados apoyan la actual clasificación en subtribus y la delimitación de los géneros de Cardueae, y apunta a la parafilia de la subtribu Carduinae.