Práctica #8. I. Objetivos. II. Introducción

Transcripción

1 Práctica #8 EVOLUCIÓN I. Objetivos * Explicar el equilibrio Hardy-Weinberg en término de las frecuencias alélicas y frecuencias genotípicas. * Describir las condiciones para el mantenimiento del equilibrio Hardy-Weinberg * Demostrar mediante un modelo, las condiciones para el proceso evolutivo * Estudiar el efecto de las fuerzas evolutivas sobre la frecuencia alélica a través de generaciones sucesivas. II. Introducción 1 Los descubrimientos de Mendel permitieron conocer uno de los mecanismos de transmisión de la información genética así como también establecer el vínculo entre el genotipo y el fenotipo para algunas características. Por otra parte, los planteamientos de Darwin sobre el proceso evolutivo y el mecanismo de la selección natural permitieron estudiar cómo las especies se originaban y eventualmente cómo la diversidad existente llegó a ser. Sin embargo, no fue hasta principios del siglo XX en donde estas dos vertientes de pensamiento se fusionaron y permitieron conocer cuál era el papel de la genética en el proceso evolutivo. La genética de poblaciones es por lo tanto la disciplina de la Biología que estudia el comportamiento de los genes en las poblaciones así como su papel en la evolución. En el contexto de la genética de poblaciones, la población se considera como un grupo local que pertenece a una especie dentro del cual ocurren apareamientos. El conjunto de genes que conforma a todos los individuos de esta población es conocido como el acervo genético. Por lo tanto, para un gen determinado el acervo genético lo constituyen todas las variantes o alelos existentes en esa población. La frecuencia de alguna de estas variantes en la población estaría determinada por su proporción en el acervo genético. Ahora bien, consideremos a una población hipotética de un tamaño lo suficientemente grande, en la cual el apareamiento dentro de la población se da al azar, ninguno de los genotipos presentes en la población presentan una ventaja reproductiva o de sobrevivencia y no se dan factores como la mutación, migración y deriva genética. En esta población, las frecuencias alélicas tenderán a mantenerse constantes a través de las generaciones sucesivas. Esta predicción puede demostrase matemáticamente a través de un modelo propuesto por el matemático ingles G. H. Hardy y el físico alemán Wilhelm Weinberg a partir del cálculo de las frecuencias de alelos y genotipos en una población. Utilizando dicho modelo, conocido como ley de Hardy-Weinberg, los evolucionistas han investigado el efecto de las mutaciones, migraciones, tamaño de la población, selección sexual y selección natural sobre el proceso evolutivo de poblaciones naturales. Si partimos de una población con dos alelos para un gen (A,a), la frecuencia de los genotipos posibles (AA, Aa y aa) estaría descrita por el cuadrado de la suma de las frecuencias de los alelos: (p+q) 2 = l donde p= frecuencia del alelo dominante (D) y q = frecuencia del alelo recesivo (d)

2 2 Si examinamos el genoma de todos los individuos de una población y sumamos los números de copias de los diferentes alelos de diferentes loci que cada individuo posee, podemos hacer un cuadro que tabule la frecuencia con que aparece cada alelo de cada gen en la población. Este conjunto de alelos se denomina bolsa génica. Esta suma corresponde a simular el proceso de apareamiento al azar, en el cual todos los gametos tienen igual probabilidad de unirse y formar los individuos de la siguiente generación. Cada vez que una población entra en la fase de reproducción sexual, se combinan los genomas de machos y hembras, provocando nuevas combinaciones génicas en los nuevos individuos que nacieron. La distribución de frecuencias de diferentes alelos puede ser igual o no a la original. Al desarrollar la fórmula notable por lo tanto se obtendrá las frecuencias genotípicas y fenotípicas a la siguiente generación: (p+q) 2 = p 2 + 2(p*q) + q 2 = 1 donde: p 2 corresponde a la frecuencia genotípica de DD, 2pq frecuencia genotípica de Dd y q 2 frecuencia genotípica de dd La ecuación que define el equilibrio de una población se utiliza para predecir las frecuencias de alelos y genotipos en una población en generaciones sucesivas, siempre y cuando las condiciones del teorema se cumplan, esto es: (1) una población infinitamente grande; (2) apareamiento al azar; (3) la tasa de mutaciones dentro de la población es muy baja; (4) no hay migraciones desde o hacia la población, y (5) todos los individuos tienen la misma capacidad y éxito reproductivo. Aunque en las poblaciones naturales estas condiciones no se encuentran, el equilibrio de Hardy-Weinberg es un modelo muy útil para predecir los cambios genéticos en una población como resultado de la selección natural u otros factores que pueden modificar de alguna forma las frecuencias génicas dentro de la población, permitiendo así entender en forma cualitativa y a nivel genético como la evolución actúa a nivel poblacional. III. Procedimiento El grupo será dividido en 4-5 subgrupos de trabajo conformados por 5-6 estudiantes cada uno Se iniciará el ejercicio de laboratorio probando el modelo de Hardy-Weinberg en una población diploide utilizando frijoles de diferentes colores, bajo la supervisión del Instructor del grupo. Cada frijol, según sea su color, representará un gameto con una copia de un determinado alelo y cada individuo de la población, tendrá dos alelos por cada gen. La población completa debe introducirse en una bolsa de papel (bolsa génica). Posteriormente, cada subgrupo de trabajo hará una simulación de los procesos de deriva génica, mutaciones, migración o selección natural. En ambos ejercicios, se utilizará una población inicial formada por 200 frijoles de dos colores en una proporción especificada por el instructor. Registre en su reporte, las proporciones alélicas iniciales. Ejercicio 1 Probando el modelo de Hardy - Weinberg 1. Iniciando con una población con 100 alelos de dos colores en las proporciones especificadas por el instructor, registre en el reporte las frecuencias alélicas de su pool genético (especifique el color para cada alelo) (a) Cuántos individuos diploides están presentes en la población?

3 3 (b) Calcule las frecuencias genotípicas y alélicas esperadas y el número de individuos para cada genotipo en una población en equilibrio Hardy-Weinberg. Anote sus cálculos en el cuadro respectivo dentro del reporte. 2. Postule la base teórica de la Ley de Hardy-Weinberg. Esta será su hipótesis. 3. Redacte una predicción de los posibles resultados en relación a las frecuencias genéticas de la población en la generación siguiente. 4. Al azar, remueva dos frijoles de la bolsa (un individuo diploide) y contabilice el genotipo del individuo de acuerdo a las características (color) de cada gameto. 5. Regrese el individuo a la bolsa génica y agítela. De esta forma se restablece el pool genético de la población. Al regresar el individuo diploide a la bolsa génica, el tamaño del pool genético y la probabilidad de selección de cualquiera de los alelos permanecerá constante. 6. Repita el procedimiento hasta que haya registrado el genotipo de 50 individuos, construyendo de esta forma la próxima generación. 7. Registre sus resultados en el reporte. 8. Responda a las preguntas especificadas en el reporte. En los siguientes ejercicios, a una población inicial de 50 individuos se le aplicarán diferentes fuerzas evolutivas a través de 10 a 12 generaciones para analizar su efecto en las frecuencias alélicas de la población. Luego, se realizará una discusión conjunta con todos los grupos para analizar los resultados. Ejercicio 2 Influencia de la selección natural sobre la población La teoría de la selección natural se basa en la observación de que algunos individuos que muestran ciertos rasgos heredados, adquieren una mayor probabilidad de reproducción y sobrevivencia que aquellos individuos que no poseen estos rasgos ventajosos. direccional. Un caso en el que se observó este proceso, ocurrió en Inglaterra, donde hay dos diferentes tipos de especies de polillas moteadas: gris claro y gris oscuro. Las de color gris claro solían ser las más comunes hasta el año 1848, pero los investigadores observaron que entre ese año y el año 1898 se impusieron las de color gris. De hecho, sólo 2% de las polillas que se encontraban cerca de una ciudad industrial eran gris claro. Las polillas moteadas son muy activas durante la noche, pero dependen durante el día de lugares donde poder camuflarse a fin de evitar predadores. En este caso, los cambios en el medio ambiente originaron cambios en las características que les suministraban más posibilidades de sobrevivir. Aquellas que lograron adaptarse a las nuevas condiciones sobrevivieron y tuvieron más posibilidades de reproducirse. Este tipo de selección natural, cuando las cantidades de variedades de genes cambian en una dirección determinada en respuesta a nuevos factores en el medio ambiente, se conoce como selección Suponga que g es un gen que codifica para el color de las polillas. El heterocigoto Gg (al igual que los homocigotos dominantes GG) resulta en fenotipos de polillas oscuras y estos individuos sobreviven en el nuevo ambiente cubierto de hollín, mientras que los individuos gg van a ser de color claro y tendrán

4 4 problemas de camuflage durante el día lo que los hará presas fáciles. Empezando con una población donde la frecuencia alélica de g es 0.8 (representando las condiciones para el año 1848), se aplicará la selección natural contra g para 10 generaciones, cada generación será equivalente a 5 años, y se observará el cambio en la frecuencia de este alelo recesivo hasta el año Formule una hipótesis que explique el efecto de la selección natural sobre la población inicial en función de las condiciones ambientales. 2. Redacte una predicción de los posibles resultados que espera observar sobre el efecto de la selección natural en su población inicial. 3. En la bolsa génica de la población inicial (F0) hay 20 G y 80 g. Extraiga 50 pares de alelos y elimine todos los individuos que sean homocigotos recesivos (gg). 4. De los individuos que quedan, calcule las frecuencias alélicas de la población (F1). Devuelva estos alelos a la bolsa génica y proceda a rellenarla con alelos G y g hasta restablecer el número de individuos de la población inicial, pero manteniendo las mismas proporciones alélicas de la población F1(sobreviviente): 50 G 50 g 50 individuos # de individuos gg que mueren # de individuos que sobreviven Por ejemplo, si en la generación F1(sobreviviente), quedaron 50 G y 26 g al eliminar 24 individuos gg, hay que reemplazar estos 24 alelos hasta obtener un número igual a la población inicial y mantener las proporciones de p y q de la población sobreviviente. Por lo tanto: p (ó q) sobrevive = p (ó q) relleno # alelos dominante (recesivo) sobreviven = # alelos dominante (recesivo) relleno # total de alelos sobrevivientes # total de alelos relleno Se deben agregar (50/76) * 24 = 16 G y (26/76) * 24 = 8 g. 5. Repita este proceso hasta completar 12 generaciones 6. Anote sus resultados en el reporte 7. Grafique la frecuencia de los alelos G y g durante las siguientes 9 generaciones Haga un resumen de sus resultados para ser discutidos en clase Ejercicio 3 Influencia de la migración (flujo génico) La migración de individuos entre poblaciones produce un flujo de genes. La tasa y dirección de la migración y las frecuencias alélicas que presentan las poblaciones inicialmente, tienen influencia en la tasa de cambio genético. Muchas veces, especialmente en plantas, este flujo de genes puede producir hibridación. La hibridación es un mecanismo común, pero no ubicuo, de evolución vegetal y de especiación, de modo que quizá más del 70% de las especies de plantas pueden descender de híbridos.

5 Para que se produzca hibridación, se necesita la actuación de varios factores: (a) Polinización cruzada, para lo cual se requiere que ambas plantas estén en flor al mismo tiempo que estén suficientemente cercanas (como para permitir la acción del vector que transporta el polen). (b) Deben ser compatibles entre sí, para que el polen pueda germinar y lograr la fecundación. 5 Frecuentemente, los híbridos F1 (resultantes del eventual desarrollo de los embriones hasta que producen semillas y germinan) son fértiles, aunque no tanto como los parentales. Muchos híbridos naturales puede llegar incluso a presentar mayor aptitud que los parentales. Esto significa que existen grandes probabilidades de introgresión (incorporación de alelos de una especie o taxón en otro diferente). Por lo tanto, se puede producir flujo génico entre taxones, y los estudios genéticos han mostrado decenas de ejemplos de este fenómeno. Los estudios disponibles parecen indicar que tal flujo génico es la norma, más que la excepción. Por ejemplo, en el Reino Unido, una tercera parte de las 31 especies domesticadas evaluadas se hibridan espontáneamente con miembros de la flora local. Un ejemplo claro, es la especie Phaseolus vulgaris (frijoles) en su variedad cultivada forma intermedios con plantas silvestres de la misma especie en los márgenes de los cultivos en Sudamérica. Los híbridos espontáneos poseen la introgresión de alelos de la cultivada. El flujo génico entre poblaciones es una importante fuerza evolutiva, cuyo impacto depende de su magnitud. Las tasas de hibridación medidas experimentalmente entre las cosechas y sus parientes compatibles sobrepasan típicamente valores del 1%, a veces a distancias superiores a los 100 metros. La tasa de incorporación de alelos foráneos bajo tales niveles de hibridación se espera que sean varios órdenes de magnitud superiores a las tasas típicas de mutación, de modo que en estos sistemas el flujo génico será más importante que la mutación. 50 G 50 g 10 individuos 90 G 10 g Para demostrar el efecto de la migración de individuos, se parte de dos poblaciones diferentes (50 individuos cada una) con distintas frecuencias alélicas. (por ejemplo, población 1 con p= 0.5 y población 2 con p = 0.9) (para análisis comparativos, utilice aquella población con las frecuencias alélicas iniciales al ejercicio 1). Registre la frecuencias alélicas iniciales (F0) en su reporte 10 individuos 1. Formule una hipótesis que explique el efecto de la migración sobre características genéticas de la población inicial 2. Redacte una predicción de los posibles resultados que espera observar del efecto de las migraciones sobre su población inicial 3. Extraiga10 individuos de la población 1 y se sustitúyalos con igual número de individuos (escogidos al azar) de la población Al azar, remueva dos alelos de cada población nueva y registre el genotipo y el número de alelos G o g 5. Regrese el individuo a la bolsa génica y agítela. De esta forma se restablece el pool genético de la población. 6. Repita el procedimiento hasta que haya registrado el genotipo de 50 individuos, construyendo de esta forma la próxima generación

6 6 7. Calcule la frecuencia génica y alélica a través de 10 generaciones y anótela en el reporte. En cada generación sustituya 10 individuos de la población 1 con igual número de individuos de la población Grafique la frecuencia del alelo G y g a lo largo de generaciones sucesivas. nueva. Haga un resumen de sus resultados para ser discutidos en clase Ejercicio 4 Influencia de la deriva génica Los cambios en la frecuencia alélica debidos al azar se llaman deriva génica. Este elemento del azar tiende a ser más fuerte cuando el número de individuos en una población que logran reproducirse es pequeño. El efecto de la deriva génica sobre las características genéticas de una población es altamente significativa en situaciones conocidas como cuello de botella (que estudiaremos en éste laboratorio) que ocurre cuando una población sufre una reducción importante en el tamaño de la misma por eventos que ocurren al azar, y el efector fundador donde un número pequeño de individuos logra fundar una población En estas condiciones, sólo existen unos pocos individuos disponibles para aportar genes a la población futura. Los efectos que provoca este fenómeno consisten al mismo tiempo en cambios en las frecuencias de los alelos y reducción de la variabilidad genética. Así, incluso si más adelante la población aumenta de tamaño pronunciadamente estos cambios pueden perdurar durante cientos o miles de generaciones. Se ha verificado la pérdida de variabilidad genética en el elefante marino del norte (Mirounga angustirostris) debido a este proceso de cuello de botella. Este animal fue cazado hasta casi su extinción a lo largo del siglo XIX y para la última década el número de ejemplares vivos rondaba la veintena. Puesto que normalmente los elefantes marinos dominantes monopolizan la reproducción y un solo macho se aparea con un grupo permanente de hembras, es bastante probable que un único macho haya engendrado todos los descendientes tras semejante reducción a la que se sometió la especie. Análisis bioquímicos certifican que casi todos los ejemplares de elefante marino actuales son casi idénticos genéticamente, cosa que, obviamente, no ocurre en el resto de especies de focas del planeta. 50 G 50 g 20 % de la población 1. Formule una hipótesis que explique el efecto de la deriva génica sobre las características genéticas de la población inicial 2. Redacte una predicción de los posibles resultados que espera observar sobre el efecto de la deriva génica en su población inicial 3. Se inicia con una bolsa génica de 50 G y 50 g (F0). Extraiga al azar 10 individuos. Esto representa una reducción del 20 % del tamaño de la población. 4. Contabilice el número de cada genotipo y el número de alelos G y g de la nueva población sobreviviente. Con estos números, determine la frecuencia genotípica y frecuencia alélica de la población sobreviviente (éstas son las frecuencias observadas). Anote ésta información en su reporte 5. A partir de frecuencias alélicas, calcule las frecuencias genotípicas esperadas

7 7 6. Restablezca el número de individuos de la población inicial (50), usando las nuevas frecuencias alélicas, así p o q (remanente) = p o q (relleno) # alelos dominante (recesivo) remanente = # alelos dominante (recesivo) relleno # total de alelos remanente # total de alelos relleno Por ejemplo, si aparecieron 6G y 14g, debe agregarse (6/20)*80 = 24G y (14/20)*80 = 56g, entonces deben agregarse a los 20 alelos de la nueva población, 24 alelos G y 56 alelos g, con ello se llega al total de 100 alelos en la población. 7. Repita el procedimiento para las restantes 9 generaciones 8. Grafique la frecuencia de G y g a través de todas las generaciones. Haga un resumen de sus resultados para ser discutidos en clase plantas. Ejercicio 5 La influencia de la mutación El melanismo es un fenómeno presente en el reino animal y que ha sido muy usado para investigar el cambio evolutivo. Sin embargo, no se ha logrado conectar en muchos casos el beneficio adaptativo de la relación entre el genotipo y el fenotipo en este ejemplo clásico ejemplo de evolución darwiniana. De hecho, este vínculo de evolución adaptativa por mutaciones se ha hecho en muy pocas instancias y generalmente ha sido forzado por una fuerte selección influenciada por los humanos, como en la resistencia a pesticidas en insectos o ratas, resistencia a antibióticos en bacterias y tolerancia a metales pesados en En los jaguares, una mutación en el gen MC1R, producto de la deleción de ocho aminoácidos, resulta en un fenotipo oscuro, donde el alelo mutado es el dominante, estos individuos mutados son los que conocemos como panteras y que exhiben un característico color negro. En este caso, al tratarse del alelo dominante, tanto los homocigotos dominantes como los heterocigotos resultan de color oscuro. En el caso del leopardo, la dominancia es incompleta, los homocigotos son más oscuros que los heterocigotos. Los beneficios adaptativos del melanismo en los felinos no ha sido esclarecido, se ha sugerido que la alta frecuencia melánica en los jaguares y leopardos se debe probablemente a la selección, sin embargo, procesos de deriva no pueden ser descartados. 50 G 50 g alelos G o g mutan 1. Se supone que en cada generación un alelo en la bolsa de 100, muta a la forma G (una tasa de mutación mucho más alta de lo normal), lo cual produciría un fenotipo más oscuro en los individuos de la población que presenten esta mutación. 2. Formule una hipótesis que explique el efecto de las mutaciones sobre las características genéticas de la población inicial. 3. Redacte una predicción de los posibles resultados que espera observar sobre el efecto de las mutaciones sobre su población inicial. 4. Extraiga 50 individuos de la bolsa génica y calcule la frecuencia genotípica y alélica a través de 10 generaciones con la condición de que en cada generación en forma alterna, un alelo (G o g) hace una mutación a G (o sea que un alelo normal es sustituido por un alelo mutante de un tercer color en cada generación).

8 8 5. También se supone, que el ser más oscuro va a tener una ventaja sobre los individuos más claros, por lo que el alelo g es letal en forma recesiva, por lo cual los individuos gg son eliminados. A través de 10 generaciones Elimine cualquier individuo gg que aparezca y reemplácelo con los alelos normales (G o g) como hizo en el ejercicio de selección natural. 6. Haga el cuadro correspondiente y grafique las frecuencias de G, G y de g en forma proporcional (como antes) y establezca cuántas generaciones se necesitarían para que la mutación pueda fijarse como el alelo más frecuente en la población.