Pez de hielo experimentó importantes cambios genéticos al migrar a aguas templadas

Champsocephalus esox

Una especie de draco ha escapado de la Antártida y ahora vive en aguas sudamericanas más cálidas

Muchos animales han evolucionado para tolerar ambientes extremos, incluida la capacidad de sobrevivir a las aplastantes presiones de las fosas oceánicas, el implacable calor de los desiertos y el oxígeno limitado en lo alto de las montañas. Estos animales a menudo están altamente especializados para vivir en estos entornos específicos, lo que les impide mudarse a nuevos lugares.

Sin embargo, hay raros ejemplos de especies que una vez vivieron en ambientes hostiles pero que desde entonces han colonizado entornos más templados. Ángel Rivera-Colón, exestudiante de posgrado ahora posdoctorado en el laboratorio de Julian Catchen (CIS/GNDP), profesor asociado en el departamento de Evolución, Ecología y Comportamiento de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, explora los mecanismos genéticos que subyacen a esta anomalía en los peces nototenioideos antárticos.

Los nototenioides antárticos, o crionototenoides, han evolucionado para vivir en aguas heladas alrededor de la Antártida, donde la mayoría de los peces se congelarían si estuvieran expuestos a temperaturas tan frías. Sin embargo, los peces crionototenoides pueden sobrevivir en estas aguas gracias a las glicoproteínas anticongelantes que producen en sus células. Las glicoproteínas se unen a los cristales de hielo que se forman, evitando que crezcan y que se congelen las células.

Los dracos antárticos, una familia dentro de los crionototenoides, están aún más especializados para vivir en las aguas heladas. Los dracos también son el único vertebrado que se ha adaptado a vivir sin hemoglobina en sus células sanguíneas, lo que hace que sus células y tejidos sean de color translúcido/blanco. La hemoglobina es una proteína en las células sanguíneas que ayuda a aumentar la absorción de oxígeno y da como resultado la coloración roja de las células.

Normalmente, los animales necesitan hemoglobina para obtener suficiente oxígeno, pero en las frías aguas y ricas en oxígeno de la Antártida, los dracos han desarrollado cambios morfológicos, como corazones más grandes para bombear sangre, que ya no necesitan hemoglobina para obtener suficiente oxígeno.

A pesar de esta especialización extrema, una especie de draco llamado Champsocephalus esox, o draco lucioperca, ha escapado de la Antártida y ahora vive en aguas sudamericanas más cálidas y menos oxigenadas. "El movimiento de esta especie hacia aguas más cálidas planteó un interesante misterio evolutivo que quería tratar de resolver", dijo Rivera-Colón. "Si estás especializado en vivir solo en ambientes muy fríos, ¿Cómo sobrevives y te adaptas a este nuevo ambiente más cálido?"

Para comprender cómo cambiaba el genoma del pez a medida que migraba a aguas más cálidas, Rivera-Colón comparó la genética del draco lucioperca con la de una especie de draco antártico, C. gunnari. Para secuenciar los genomas el equipo tomó muestras de tejido recolectadas por colaboradores y pescadores del sur de Chile, Georgia del Sur y las Islas Sandwich.

"Esta es la primera vez que observamos el genoma de una especie de nototenioide que escapó de la Antártida a este nuevo entorno templado. Gran parte de eso se debe a que el draco lucioperca es muy raro y escurridizo, por lo que fue indispensable la ayuda de estos pescadores y colaboradores para la recolección de muestras”, dijo Rivera-Colón. Los investigadores utilizaron secuenciación continua de lectura larga para generar un genoma a nivel de cromosoma para cada especie de pez.

genomas de dracos

Imagen: Patrones de sintenia conservada entre los genomas de especies de dracos templados y antárticos. Crédito: Biología Molecular y Evolución (2023). DOI: 10.1093/molbev/msad029

Después de comparar los genomas, descubrieron que, si bien el genoma estaba muy conservado entre las especies, había divergencia en áreas del genoma del draco lucioperca asociadas con la fisiología que tendría que cambiar a medida que el pez se trasladaba a aguas más cálidas. Sorprendentemente, el genoma del draco lucioperca aún contenía múltiples copias del gen que codifica las glicoproteínas anticongelantes, pero los genes estaban llenos de mutaciones que pueden hacer que no funcione.

"La mayoría de los genes tenían insertados codones de terminación", explicó Catchen. "Suponiendo que todo funcione como esperábamos, no los veríamos transcritos en las glicoproteínas. Pero los genes todavía están allí y presumiblemente aún podrían estar activos. No estamos seguros". Los investigadores dicen que si bien las mutaciones en este gen en los crionototenoides de agua fría podrían significar la muerte si el gen ya no funciona, en aguas más cálidas se habría aflojado la selección de este gen en el draco lucioperca, ya que los peces ya no necesitarían evitar congelación.

Los investigadores también encontraron que el genoma del pez de hielo lucioperca mostraba inversiones cromosómicas, cuando parte del cromosoma cambia de orientación. “Sabemos que las inversiones y otros cambios cromosómicos pueden ser muy importantes para mediar en procesos de adaptación, así como para crear barreras entre especies”, explicó Rivera-Colón. "Así que encontrarlos aquí sugiere que podrían ser importantes para la adaptación al ambiente más cálido en América del Sur".

Rivera-Colón explicó además que las inversiones podrían dificultar la mezcla de las dos especies, acelerando la especiación entre las especies hermanas, a pesar de que se separaron hace menos de 2 millones de años.

Además de evolucionar para vivir en aguas más cálidas, el pez draco también habría tenido que adaptarse a un diferente entorno de luz. El mar alrededor de la Antártida está oscuro gran parte del año y el hielo superficial bloquea gran parte de la luz. Pero en aguas templadas, el draco lucioperca experimenta un ciclo diurno-nocturno más normal. Actualmente, el equipo está examinando la expresión génica en peces relacionados para ver cómo se han adaptado su fisiología y ritmos circadianos a estos nuevos ciclos de luz.

Los investigadores también planean observar los genomas y las mitocondrias de otro par de especies relacionadas, Trematomus borchgrevinki y Notothenia angustata. De manera similar a este estudio, T. borchgrevinki vive en las frías aguas antárticas, mientras que N. angustata ha hecho una transición secundaria para vivir en aguas cálidas en la costa de Nueva Zelanda. El estudio actual, así como este estudio planificado sobre el otro par de especies, ayudará a los investigadores a comprender mejor cómo las especies altamente especializadas para vivir en ciertos entornos pueden escapar y adaptarse a nuevos entornos.

"Creo que uno de los aspectos realmente interesantes de este estudio es que desafía la forma en que contamos historias sobre 'por qué la evolución actuó de la manera en que lo hizo'", describió Catchen. "Usamos la historia clásica del draco para explicar la pérdida de hemoglobina debido a las aguas frías y oxigenadas en las que se especializa, pero luego tienes a esta especie que escapó a temperaturas normales y se las está arreglando bien. La selección empujó a un organismo al extremo en esta dirección, y luego el entorno cambió, y ahora está siendo empujado en una dirección diferente".

Rivera-Colón agregó: "Nuestro estudio solo demuestra que esta especialización para el frío extremo no es un callejón sin salida evolutivo, y ayuda a explicar cómo ocurren estas transiciones en la naturaleza".

El estudio, titulado "Genomics of secondarily temperate adaptation in the only non-Antarctic icefish", se publica en Molecular Biology & Evolution.

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