El tamaño si importa: el secreto detrás de los adornos masculinos

peces cola de espada (Xiphophorus hellerii)

Identifican en el pez cola de espada algunos genes que son responsables del desarrollo del rasgo ornamental

En muchas especies, los machos tienen llamativas características. Aunque a menudo no son prácticas, son beneficiosas para encontrar pareja. Los científicos han mapeado ahora las bases genéticas de tal adorno masculino en un pez.

Las plumas de la cola del pavo real, el enorme cuerno de los escarabajos rinocerontes machos, las sobresalientes astas de algunos ciervos: en la naturaleza existen innumerables ejemplos de rasgos que a primera vista solo pueden tener inconvenientes para sus dueños. Después de todo, es más difícil esconderse de un depredador cuando se usa un colorido plumaje, y unos grandes cuernos no facilitan la fuga en el bosque. Como regla general, es el macho el que tiene tales características.

Por lo tanto, la evolución de los ornamentos masculinos ha fascinado a los biólogos desde siempre. Charles Darwin se preguntó cómo podrían haber sido creadas por selección natural estructuras tan exageradas, consumidoras de energía y, en principio, dañinas. Utilizando el ejemplo del pez cola de espada (Xiphophorus hellerii), explicó su teoría de la selección sexual.

La idea básica de Darwin: si las hembras prefieren aparearse con los portadores de llamativos rasgos ornamentales, dichos rasgos podrían establecerse en el curso de la evolución, aunque es probable que sean perjudiciales para sus dueños.

Científicos de Würzburg, Constance y los EE. UU. han tenido éxito ahora en encontrar las bases genéticas de este modelo evolutivo en el Xiphophorus, también conocido por los acuaristas como una de sus mascotas favoritas. Entre todos los genes elegibles, los investigadores identificaron en esta especie de pez algunos que son responsables del desarrollo del rasgo ornamental correspondiente. Sus hallazgos también sugieren que en el cola de espada, un gen que es realmente importante para los procesos neuronales del cerebro ha adquirido una nueva función adicional durante la evolución.

Manfred Schartl, profesor principal del Departamento de Bioquímica del Desarrollo de la Universidad de Würzburg, es el autor principal del estudio. El proyecto fue co-iniciado por el biólogo evolutivo Axel Meyer de la Universidad de Constance con quien los investigadores de Würzburg han estado investigando este fenómeno durante muchos años.

Durante más de dos décadas, los dos laboratorios de las universidades de Würzburg y Constanza han investigado conjuntamente la base genética del pez cola de espada. El estudio actual ha llevado a los científicos un gran paso más hacia la comprensión de la base genética de la aleta caudal extendida de los colas de espada.

"En varias especies del género Xiphophorus, los machos llevan una llamada 'espada', una llamativa extensión del borde inferior de la aleta caudal, que es de color amarillo, naranja o rojo y está rodeada por un margen negro oscuro", explica Manfred Schartl. La espada se desarrolla durante la pubertad y en algunas especies puede ser tan larga como el propio pez.

En realidad, esto debería ser una desventaja, porque el llamativo adorno corporal atrae a los depredadores por un lado y, por otro lado, hace que escapar sea más difícil ya que reduce el rendimiento de natación. Sin embargo, las hembras de Xiphophorus hellerii y varias especies relacionadas prefieren aparearse con machos que portan una espada larga; los machos con espadas más cortas literalmente pierden en esta competencia.

Excluyendo gradualmente a los sospechosos

Las bases genéticas de esta extensión de la aleta caudal en el Xiphophorus se desconocían previamente. Sin embargo, es necesario el conocimiento de este fenómeno para probar hipótesis sobre el papel de la selección sexual a nivel genético molecular.

Los científicos adoptaron un enfoque gradual para identificar los genes responsables. Comenzaron buscando todos los genes que están específicamente activos en la parte que desarrolla la espada de la aleta caudal, pero no en las regiones de la aleta que no forman una espada. "Este proceso resultó en un conjunto de 329 genes expresados diferencialmente en todos los transcriptomas del pez cola de espada", dijo Schartl, describiendo el resultado. El término transcriptoma se refiere a la totalidad de genes que se transcriben en una célula o tejido en un momento determinado, es decir, que están activos.

En el siguiente paso, la consideración de que los genes responsables de la formación de la espada solo se expresan en los machos condujo a una reducción significativa en el número de sospechosos. Los científicos crearon transcriptomas de células de áreas específicas de las aletas caudales en especímenes masculinos y femeninos. Si las hembras mostraban actividades comparables a las de los machos, estaba claro que estos genes no se encuentran entre los candidatos buscados. Después de este proceso, quedaron 255 de los 329 genes originales.

"Curiosamente, esta comparación reveló que un patrón espacial de cinco factores de transcripción (Zic1, Hoxb13a, Six2a, Tbx3a y Pax9) es responsable de organizar las condiciones previas en la aleta caudal para el desarrollo de una espada, y que este patrón también está presente en hembras", dijo Schartl.

especies de Xiphophorus con espada y sin espada

Imagen: Relaciones filogenéticas de especies de Xiphophorus con espada y sin espada

Los retrocruces proporcionan importante información

A continuación vino el mapeo genético para reducir aún más el número aún alto de 255 genes candidatos. Para este propósito, los machos de cola de espada se cruzaron con hembras de una especie relacionada cuyos machos habían perdido su espada en el curso de la evolución. Los descendientes masculinos de este apareamiento tuvieron espadas de diferentes longitudes debido a la mezcla de los genomas parentales dependiendo de su composición genética aleatoria. La secuenciación de esos genomas utilizando técnicas especiales de alto rendimiento hizo posible correlacionar ciertos segmentos de cromosomas con la formación de espadas y aquellos con la lista de genes candidatos. Finalmente, quedaron tres genes.

Foco en un sospechoso principal

El gen con el nombre científico kcnh8 resultó ser crucial para el desarrollo de la característica masculina. "Este gen codifica un canal de potasio, un grupo de canales que juegan un papel importante, en particular, en la transmisión y procesamiento de estímulos en el sistema nervioso", dijo Schartl.

Los nuevos hallazgos apuntan a un gen con una función primaria en las células neuronales que fue reclutado durante la evolución para desarrollar la espada masculina hace unos tres a cinco millones de años, es decir, temprano durante la diversificación de los peces cola de espada. La nueva función no se debe a cambios estructurales dentro del gen y su producto, sino a cambios en la regulación genética.

De hecho, los experimentos muestran que kcnh8 en la espada durante el desarrollo normal y después del tratamiento con hormonas masculinas está altamente regulado en la región donde se organiza la espada. En todas las demás áreas de las aletas de los machos y en las aletas caudales de las hembras, se expresa solo débilmente. Además, estudios posteriores muestran una correlación directa entre el nivel de expresión genética de kcnh8 y la longitud de las espadas.

Los científicos publicaron sus hallazgos en la revista Current Biology: The Developmental and Genetic Architecture of the Sexually Selected Male Ornament of Swordtails

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