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1 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE CIENCIAS Efecto del cautiverio sobre la diversidad genética de una población del perrito de la pradera mexicano (Cynomys mexicanus) T E S I S PARA OBTENER EL TÍTULO DE: BIÓLOGA P R E S E N T A: YOCELYN TERESA GUTIÉRREZ GUERRERO TUTOR: M. en C. GABRIELA CASTELLANOS MORALES; Dr. LUIS ENRIQUE EGUIARTE FRUNS. 2014 UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor. 2 1. Datos del alumno Gutiérrez Guerrero Yocelyn Teresa 26-03-14-72 Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Ciencias Biología 30708337-3 2. Datos del tutor M. en C. Castellanos Morales Gabriela 3. Datos del sinodal 1 Dra. León Paniagua Livia Socorro 4. Datos del sinodal 2 Dr. Eguiarte Fruns Luis Enrique 5. Datos del sinodal 3 Dr. Ortega Reyes Jorge 6. Datos del sinodal 4 Dr. List Sánchez Rurik Hermann 7. Datos del trabajo escrito Efecto del cautiverio sobre la diversidad genética de una población de perrito de la pradera mexicano (Cynomys mexicanus) 156 2014 3 El presente trabajo de investigación fue realizado en el Laboratorio de Evolución Molecular y Experimental, del Instituto de Ecología, Universidad Nacional Autónoma de México 4 AGRADECIMIENTOS La presente tesis se elaboró bajo la dirección de la M. en C. Gabriela Castellanos Morales y el Dr. Luis E. Eguiarte Fruns, en el Laboratorio de Evolución Molecular y Experimental del Departamento de Ecología Evolutiva, del Instituto de Ecología, de la Universidad Nacional Autónoma de México. Agradezco enormemente a la Universidad Nacional Autónoma de México, a la Facultad de Ciencias y al Laboratorio de Evolución Molecular y Experimental, por todos los conocimientos, experiencias y mi formación tanto profesional como humana. Muchas gracias al Dr. Luis Eguiarte y a la Dra. Valeria Souza, por darme su apoyo y confianza en la culminación de mi carrera. Un especial agradecimiento a mi tutora la M. en C. Gabriela Castellanos Morales, por todas sus enseñanzas y experiencias en el campo y laboratorio, su dedicación, ser parte integral de este trabajo y sobretodo su paciencia. Gracias. Muchas gracias a la Dra. Erika Aguirre Planter y a la M. en IBB. Laura Espinoza Asuar y a la Sra. Silvia Barrientos, por todo su apoyo logístico, técnico y sus consejos. A la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales; Subsecretaría de Gestión para la Protección Ambiental; Dirección de Vida Silvestre, por haber otorgado los permisos de colecta: Oficio Número, SGPA/DGVS/0001073/11, México, D.F del 16/Febrero/2011 y 00709/13, México D.F del 30/Enero/2013. A la Secretaría de Medio Ambiente del estado de Coahuila. A la Biól. Eglantina Canales y a la Dra. Alejandra Carrera, por su apoyo logístico para el muestreo de la colonia 5 de vida silvestre. Un agradecimiento por todo el apoyo en la realización del trabajo de campo que me brindó Profauna A.C., en especial al Zooct. Javier Lombardo y su equipo. Un agradecimiento al Museo del Desierto, Saltillo, Coahuila, a su Director de Fauna el Arq. Fernando Toledo y todo el equipo del Museo. Así como a Emmanuel Rivera Téllez, por proveer el contacto con el Museo del Desierto. Agradezco a la Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro, Saltillo, a El Rancho Los Ángeles, Saltillo y al Dr. Ricardo Vásquez Aldape: por permitir realizar parte fundamental de este trabajo en su predio. Al equipo de colecta, gracias por todo su apoyo: Biol. Jaime Gasca Pineda y Biol. Daniel Torres Orozco. Gracias a la Dra. Patricia Padilla del Instituto de Biomédicas y al Biol. Alberto Barahona, por su apoyo en la parte experimental del presente trabajo. Agradezco al Dr. Jorge Ortega Reyes, por proporcionar los primers que se emplearon en este trabajo. Un especial agradecimiento a todo el laboratorio, que se convirtió en mi segunda casa. Gracias: Manuel Rosas, Biol. Jaime Gasca y el M. en C. Enrique Scheinvar (por ser mis maestros de genética de poblaciones), Josué Barrera y Biol. Santiago Ramírez (por su apoyo con R, sus consejos y comentarios), y todos los que integran este laboratorio. Infinitas y millones de gracias a mi familia: Tere y Enrique, mis hermanos Joary y July, Conchita, y tíos gracias por su apoyo, paciencia, consejos, las sonrisas, las experiencias, mi formación y el cariño incondicional. 6 Agradezco irreductiblemente a Roy, por su paciencia, apoyo, cariño y sonrisas. Un especial agradecimiento a Kari, Manuel y todo Redes Universitarias, por su apoyo, consejo, cariño y formación. 7 “Efecto del cautiverio sobre la diversidad genética de una población del perrito de la pradera mexicano (Cynomys mexicanus)” 8 ÍNDICE ÍNDICE ............................................................................................................................................... 8 RESUMEN ........................................................................................................................................ 11 ABSTRACT ...................................................................................................................................... 12 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................ 13 MARCO TEÓRICO .......................................................................................................................... 18 Genética de la Conservación ................................................................................................. 18 Conservación ex situ.............................................................................................................. 20 Diversidad Genética en Poblaciones en Cautiverio .............................................................. 22 Marcadores moleculares ........................................................................................................ 26 Estimadores genéticos ........................................................................................................... 28 Principio Hardy-Weinberg. ........................................................................................... 28 Variación genética ......................................................................................................... 31 Fuerzas evolutivas que actúan en poblaciones en cautiverio ................................................ 36 Endogamia. .................................................................................................................... 36 Deriva génica................................................................................................................. 39 Cuello de botella y efecto fundador ...................................................................................... 39 Sujeto de Estudio ................................................................................................................... 42 ANTECEDENTES ............................................................................................................................48 OBJETIVOS ..................................................................................................................................... 50 Objetivo General ............................................................................................................... 50 Objetivos Particulares ....................................................................................................... 50 HIPÓTESIS ....................................................................................................................................... 51 Hipótesis ............................................................................................................................ 51 Hipótesis Alternativa ......................................................................................................... 51 MATERIALES Y MÉTODOS ......................................................................................................... 52 Método de muestreo .......................................................................................................... 52 Extracción de ADN ........................................................................................................... 57 Amplificación .................................................................................................................... 58 Microsatélites ............................................................................................................ 58 Región Control .......................................................................................................... 59 Genotipación y secuenciación ........................................................................................... 61 Análisis .............................................................................................................................. 62 9 RESULTADOS ................................................................................................................................. 71 Análisis de peso ............................................................................................................................. 71 Microsatélites ................................................................................................................................ 73 Rarefacción de la Riqueza Alélica .................................................................................... 74 Variación genética ............................................................................................................. 75 Diversidad genética mitocondrial (Región Control) ..................................................................... 78 Estructura génica ........................................................................................................................... 81 Análisis de parentesco ................................................................................................................... 82 DISCUSIÓN ..................................................................................................................................... 85 a) Diferencias de peso entre localidades ....................................................................................... 85 b) Comparación de la variación genética nuclear ......................................................................... 87 c) Estimación del número de individuos fundadores .................................................................... 90 d) Estimación de la endogamia en la población silvestre y cautiva .............................................. 91 e) Datos y linajes mitocondriales .................................................................................................. 93 f) Estructura génica ....................................................................................................................... 94 g) Análisis de parentesco y avances en la reconstrucción del pedigree ........................................ 95 CONCLUSIONES .......................................................................................................................... 100 REFERENCIAS .............................................................................................................................. 102 APENDICES ................................................................................................................................... 127 Apéndice 1- Marcadores Moleculares ................................................................................. 127 Microsatélites .............................................................................................................. 127 Región Control del ADN mitocondrial ....................................................................... 128 Apéndice 2 - Fuerzas evolutivas ......................................................................................... 131 Flujo Génico y Estructura Génica ............................................................................... 131 Mutación...................................................................................................................... 133 Selección Natural ........................................................................................................ 134 Apéndice 3 - Protocolo de extracción ................................................................................. 135 Apéndice 4 - Métodos de asignación de parentesco (Relatedness, r) ................................. 137 Apéndice 5 - Frecuencias alélicas y Heterocigosis ............................................................. 138 Apéndice 6 - Curvas de rarefacción .................................................................................... 140 Apéndice 7 - Haplotipos ...................................................................................................... 141 Apéndice 8 - Sugerencias preliminares de manejo para la conservación ex situ de una población de Cynomys mexicanus ....................................................................................... 142 10 Sugerencias preliminares de manejo para translocaciones y reubicaciones, para formación de nuevas poblaciones silvestres de Cynomys mexicanus ........................................................ 148 11 RESUMEN Las extinciones son uno de los problemas ambientales más severos por los que atraviesa la biodiversidad. Una de las estrategias para reducir las extinciones es la conservación ex situ de poblaciones y especies. Cynomys mexicanus es una especie endémica que se encuentra en peligro de extinción, se localiza en los estados de Coahuila, Nuevo León y San Luis Potosí. A pesar de su importancia como especie clave e ingenieros ecosistémicos, sólo se cuenta con un estudio a nivel molecular. El objetivo de este trabajo fue evaluar la diversidad genética de una población de C. mexicanus en cautiverio (MD, Museo del Desierto, Saltillo, Coah.) tomando como referencia a la población fundadora (LA; Rancho Los Ángeles, Coah.), así como proponer sugerencias de manejo para la población cautiva. Se propusieron dos hipótesis alternativas: 1) Si la población MD fue fundada por pocos individuos, esperamos encontrar una baja diversidad genética, debido a un fuerte efecto fundador y a la acción de la deriva génica y endogamia; y 2) La población MD podría presentar una elevada diversidad génica, debido a la composición genética de los fundadores. Se amplificaron nueve microsatélites nucleares y la región control del ADN mitocondrial de 42 individuos provenientes de ambas poblaciones. Se realizaron análisis de pesos, diversidad genética, estructura génica y de parentesco. Encontramos que la población LA posee una mayor variación genética (HE = 0.5564) que MD (HE = 0.4912). Sin embargo, la diversidad haplotípica y nucleotídica fueron mayores en MD (Hd= 0.699; π =0.0041)que en LA (Hd= 0.612; π =0.0037). Por otra parte, observamos alelos privados y haplotipos únicos en MD, lo que sugiere que no todos los individuos fundadores provinieron de la población LA. La hipótesis que se cumplió fue la número 2. La alta diversidad genética observada en MD apunta que ésta podría ser una población candidata para realizar reintroducciones al ambiente natural. 12 ABSTRACT The extinction of species is one the most important environmental problems faced by biodiversity. One of the strategies to reduce extinction is through ex situ conservation of populations and species. Cynomys mexicanus is an endemic species and considered endangered, it is distributed in the states of Coahuila, Nuevo León and San Luis Potosí, México. Despite its importance as a keystone species and as an ecosystem engineer, there is only one previous study about their molecular genetics. The main goal of this work is to assess the genetic diversity in one captive population (MD, Museo del Desierto, Saltillo, Coah.) of C. mexicanus, using the founder population (LA, Rancho Los Ángeles, Coah.) for reference. Furthermore, with our molecular analysis we suggest management practices for the captive population to reduce the danger of extinction. We propose two alternative hypothesis: 1) If the population MD was founded by a few subjects, we expect to find low genetic diversity due to a strong founder effect and the action of genetic drift and inbreeding, or 2) MD population can possess high levels of genetic variation, due to the genetic makeup of the founders. Nine nuclear microsatellite loci and mitochondrial DNA control region sequences were analyzed for 42 individuals from these two populations. We analyzed the weight, genetic diversity, genetic structure and relationship. Microsatellite loci showed that the LA population had higher genetic variation (HE= 0.5564) than MD (HE= 0.4912). However, we found that haplotypic and nucleotidic diversity were higher in MD (Hd= 0.699; π = 0.0041) than LA population (Hd= 0.612; π = 0.0037). We observed private alleles and haplotypes in MD. Therefore, we concluded that not all the founder individuals came from population LA. In conclusion, hypothesis 2 was supported, and the high genetic diversity in MD suggests that this population may be a candidate population for future reintroductions efforts. 13 INTRODUCCIÓN En el mundo existe una inmensa diversidad biológica, de hábitats, climas y ecosistemas. De acuerdo al World Atlas of Biodiversity (Goombrige y Jenkins 2002) se estima que existen alrededor de 14,000,000 de especies habitando diversas partes del mundo. Toda esta biodiversidad no sólo incluye la inmensa variedad de organismos, sino también sus formas de vida e interacciones (Monroy 2003). México se caracteriza por ser un país megadiverso, se encuentra dentro de los primeros cinco países que albergan la mayor riqueza de especies. Comprende alrededor del 1.6% de la superficie continental del planeta (Ceballos et al. 2005) y su historia geológica, biogeográfica, climatológica, topografía y sus tipos de vegetación explican su gran biodiversidad (SEMARNAT 2001). En cuanto a biodiversidad, México posee el quinto lugar a nivel mundial en especies de plantas, cuarto en anfibios, el primero en reptiles y junto con Indonesia y Brasil constituyen los tres países principales en albergar un gran número de especies de mamíferos (CONABIO 2013). Además México cuenta con un gran número de especies endémicas, es decir, aquellas especies que habitan sólo cierta región, teniendo un aislamiento ecológico, evolutivo y ambiental. Sin embargo, el 56% de las especies consideradas endémicas han sido incluidas dentro de alguna categoría de riesgo en la Norma Oficial Mexicana de especies en riesgo, principalmente por reducciones en sus tamaños poblacionales en los últimos dos siglos (NOM-059-ECOL 2001; SEMARNAT 2001). Indudablemente, uno de los problemas ambientales más severos por el que atraviesa la biodiversidad a nivel global son las extinciones tanto de especies como de poblaciones (Ceballos et al. 2005). A pesar de que las extinciones son una parte natural de los procesos 14 evolutivos (Begon et al. 2006; Frankham et al. 2009), en la actualidad la tasa de extinción se ha incrementado de 50 a 500 veces en relación a la tasa de extinción natural, por lo que se estima que anualmente hay una pérdida de 3,000 a 30,000 especies, y aproximadamente el 50% de especies de animales vertebrados e invertebrados del mundo están consideradas en alguna categoría de extinción (Allendorf y Luikart, 2007; UICN 2001). Existen diversos factores asociados a los procesos de extinción, el principal de ellos son las actividades humanas, ya que estas acciones en las últimas décadas han ocasionado severos impactos sobre el ambiente (Ceballos et al. 2005). Las actividades humanas afectan a la biodiversidad de dos maneras: directa e indirecta. En las acciones directas encontramos el tráfico de especies, la cacería y los programas de erradicación de alguna especie. De manera indirecta está la deforestación, la fragmentación del hábitat, la contaminación y la expansión demográfica (Ceballos et al. 2005). Otros factores no asociados a las actividades humanas son los fenómenos ambientales, los demográficos estocásticos, las catástrofes naturales, los factores genéticos y los efectos producidos por el cambio climático (Frankham et al. 2009). Las extinciones han marcado la historia moderna y han dejado una huella ecológica muy severa. Los problemas con la pérdida de diversidad han llevado a elaborar estrategias básicas para la conservación, las cuales se fundamentan en proveer de protección legal a las especies que se encuentran en peligro de extinción y especies vulnerables, establecer áreas naturales protegidas o reservas naturales y promover un manejo racional y sustentable de las actividades económicas (Ceballos et al. 2005). 15 Debido a esto, se han implementado medidas efectivas para la conservación de la biodiversidad, tales como, la conservación ex situ y la conservación in situ (Ceballos et al. 2005; Frankham et al. 2009). También se ha intentado implementar medidas que sean efectivas para la conservación de la biodiversidad, tales como la conservación ex situ y la conservación in situ para la protección de la fauna y flora (Ceballos et al. 2005; Frankham 2008). En los últimos años, la estrategia de conservación ex situ ha adquirido relevancia (Frankham 2008). Los centros clave como: zoológicos, museos, colecciones y acuarios, constantemente elaboran análisis y monitoreos para el bienestar de las especies en donde uno de los principales objetivos es reducir el riesgo de extinción de la especie o de las poblaciones, en algunos casos con el propósito de restablecer poblaciones en el hábitat natural (Lascuráin et al. 2009). Los avances recientes de las técnicas moleculares así como la teoría evolutiva y la genética, han permitido diseñar nuevas estrategias que ayuden a entender y disminuir el número de especies vulnerables o en peligro de extinción. En este sentido, la genética de la conservación nos permite analizar genéticamente la biodiversidad y elaborar estrategias para la conservación de las especies (Frankham et al. 2009). En el presente trabajo se emplea a la genética para la conservación para caracterizar y evaluar la diversidad genética de una población en cautiverio del perrito llanero mexicano, Cynomys mexicanus, una especie endémica de México y en peligro de extinción. La finalidad del presente estudio es proponer sugerencias de manejo en cautiverio que apoyen la conservación de la especie. Se tomaron como referencia datos provenientes de la población fundadora que se localiza en vida silvestre dentro del complejo Rancho Los Ángeles, Coahuila. Esperamos encontrar en la población delMuseo del Desierto, que se 16 ubica en la ciudad de Saltillo, Coahuila, una baja diversidad genética con respecto a la población fuente, ya que se considera que fue fundada a partir de sólo cinco individuos (F. Toledo, com. pers). Sin embargo, la población en cautiverio podría presentar una elevada diversidad genética, similar a la población del Rancho Los Ángeles debido a varios factores: 1) una composición genética de los individuos fundadores con alta variación genética, es decir heterócigos; 2) los fundadores pudieron provenir de diversas poblaciones, con pozas génicas diferentes; y 3) la población cautiva creció rápidamente, disminuyendo los efectos de la endogamia y deriva génica. Para explorar estas hipótesis se amplificaron nueve microsatélites nucleares y la Región Control del ADN mitocondrial, para los individuos de ambas poblaciones. Con la finalidad de observar los posibles cambios que ha presentado la población en cautiverio, se realizaron análisis de diversidad genética y los resultados de variación genética se compararon entre las dos poblaciones. Además, se realizaron análisis de parentesco con el objetivo de determinar las relaciones familiares que hay dentro de la población cautiva, y en base a ello proponer sugerencias de manejo. La conservación de esta especie endémica de México, es de suma importancia ya que los perritos llaneros (género Cynomys) son considerados especie clave para los pastizales que habitan y por lo tanto son fundamentales para su permanencia (Castellanos- Morales et al. 2014; Martínez- Estévez et al. 2013; Hoogland 2005; Slobodchikoff et al. 2009). Sólo se cuenta con dos estudios de variación genética de Cynomys mexicanus: un estudio realizado por McCullough y Chesser (1987), usando aloenzimas como marcador 17 molecular, y un análisis filogeográfico de Castellanos-Morales et al. (en revisión), que evalúa la diversidad genética nuclear con microsatélites y mitocondrial con secuencias de ADN, así como la estructura génica de diferentes poblaciones de perrito de la pradera mexicano. A pesar de la importancia de esta especie para la conservación, en los últimos años se ha presentado una considerable pérdida de su hábitat y con ello el declive de las colonias activas, por lo que esta especie está considera en peligro de extinción (Scott-Morales et al. 2004; 2005). Situación que incrementa la importancia de la población en cautiverio como posible reservorio de la variación genética presente en esta especie. 18 MARCO TEÓRICO Genética de la Conservación La pérdida de las comunidades y especies biológicas es lamentable en sí misma por el valor intrínseco de cada forma de vida y por las interacciones entre ellas. Por lo que el desafío para la biología de la conservación es aumentar el conocimiento de las complejas redes de causas-efectos (tamaño poblacional, la variación genética, los servicios ecosistémicos y la probabilidad de extinción local de las poblaciones), prevenir el deterioro ambiental y sus posibles daños (Primack et al. 2001). En la actualidad, la conservación se tiene que visualizar y analizar de manera interdisciplinaria (biológica, ecológica, genética, económica, sociológica, política, entre otras) en donde el enfoque de cada disciplina permitirá proponer las estrategias necesarias para conservar la naturaleza (Monroy 2003). La UICN (Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza) reconoce la necesidad de conservar la biodiversidad bajo tres niveles: diversidad genética dentro de las especies, diversidad de especies y diversidad de ecosistemas (Frankham et al. 2009). De acuerdo a estos tres niveles, la conservación de la diversidad genética ha sido estudiada y analizada a través de la genética de la conservación. Ésta ha permitido conocer y formular nuevas preguntas en torno a la dinámica de la biodiversidad y desarrollar análisis que permitirán elaborar planes de manejo para reducir el riesgo de extinción de diversas especies (Ouborg et al. 2010). El desarrollo tecnológico en la genética molecular como la secuenciación de ADN y el uso de diferentes marcadores moleculares, permiten evaluar si las poblaciones presentan problemas en su composición genética, como pueden ser la depresión por endogamia, la 19 disminución en la diversidad genética, el colapso mutacional o mutational meltdown, los cuellos de botella, los cambios en el tamaño poblacional y la susceptibilidad a enfermedades (Frankham et al. 2009; Gasca y Rocha 2007; Ouborg et al. 2010). La genética de la conservación emplea las bases teóricas de la genética evolutiva y la genética cuantitativa para intentar disminuir el riesgo de extinción de poblaciones y especies en peligro (Fig. 1) (Frankham et al. 2009). Además, proporcionan las herramientas necesarias para el estudio y análisis del manejo y control de las especies, ya que permite identificar unidades de manejo tanto en poblaciones silvestres como en cautiverio, y cuando es necesario, elaborar planes de reintroducción (Outborg et al. 2010). Figura 1.- Estructura, contenido y aplicación de la genética de la conservación (Frankham et al. 2009). 20 Conservación ex situ La conservación de la flora y fauna se desarrolla de dos maneras básicas: una es dentro del hábitat natural de la especie o conservación in situ y la segunda es fuera del hábitat, es decir conservación ex situ (Lascuráin et al. 2009). Para muchas poblaciones naturales de especies que se encuentran vulnerables o en peligro de extinción, se ha optado por resguardarlas manteniéndolas en cautiverio (Frankham 2008). Los zoológicos, museos, colecciones, jardines botánicos y acuarios, representan centros clave para la conservación de la biodiversidad. Es por ello, que la Asociación Mundial de Zoológicos y Acuarios (WAZA por sus siglas en inglés) y la UICN han propuesto una serie de estrategias para la conservación ex situ, donde uno de los objetivos principales es reducir el riesgo de extinción de la especie o poblaciones y en algunos casos restablecer poblaciones en su hábitat natural (Lascuráin et al. 2009). La mayoría de las colecciones biológicas, museos, zoológicos, criaderos y acuarios donde se lleva a cabo la conservación ex situ y los centros de investigación (universidades y organizaciones de investigación) elaboran constantemente análisis y monitoreo para la conservación de la biodiversidad. Entre estos estudios se encuentran los relacionados con el bienestar animal, estudios anatómicos, la nutrición, la biología reproductiva, la investigación en patologías y enfermedades, los estudios etológicos y psicológicos, estudios de procesos evolutivos y taxonómicos, el manejo genético y la educación a visitantes. Estos estudios tienen como objetivo convertirse en componentes integrados dentro de marcos nacionales y globales para fomentar la investigación en la conservación, y así evaluar y determinar las prioridades en tema de conservación y los problemas adyacentes (Lascuriáin et al. 2009). 21 La UICN (Lascuráin et al. 2009; UICN 1995) ha sugerido las siguientes directrices técnicas para la gestión de la conservación ex situ: 1) Aumentar la conciencia pública y política, así como la comprensión de temas de conservación importantes, y el significado de la extinción. 2) La gestión coordinada de la población genética y demográfica de los taxa amenazados. 3) La reintroducción y apoyo a poblaciones silvestres. 4) La gestión y restauración del hábitat. 5) El mantenimiento a largo plazo de bancos de genes y material biológico. 6) El fortalecimiento institucional y la capacitación profesional. 7) La distribución equitativa de los beneficios. 8) La investigación biológica y ecológica sobre cuestiones relevantes para la conservación in situ. 9) La procuración de fondos para apoyar todo lo anterior. Dentro del mismoprograma, la UICN menciona el interés de mantener la viabilidad e integridad genética de las poblaciones. La gestión de poblaciones ex situ debe minimizar cualquier efecto deletéreo de la misma, tal como pérdida de diversidad genética, selección artificial, transmisión de agentes patógenos e hibridación. Debe prestarse atención particular a las técnicas de muestreo iniciales, las cuales deben diseñarse con el fin de recolectar la mayor variabilidad genética presente en el medio silvestre, ya que el principal desafío de la genética de la conservación en poblaciones ex situ, es mantener una muestra representativa de la diversidad genética presente en las poblaciones naturales. 22 Diversidad Genética en Poblaciones en Cautiverio Las especies varían en el tiempo y en el espacio (Harper y Elledge. 2007). Esta diversidad se ve reflejada en la morfología, el color, las conductas de los diferentes organismos y es resultado de la variación en las secuencias del ADN y los efectos ambientales. La diversidad genética se refiere a la variedad de alelos, genotipos y fenotipos presentes en las poblaciones, especies o grupos de especies. Esta diversidad se encuentra en proteínas, enzimas y secuencias de ADN de todos los linajes, y es producto de los cambios en las frecuencias alélicas y genotípicas generados por las fuerzas evolutivas (FAO 2007; Frankham et al. 2009; Hamilton 2009; Hedrick 2005). Cuando en una población o en alguna especie hay una extensa diversidad genética, ésta puede responder rápidamente ante algún cambio abrupto o gradual en el ambiente. La evolución no puede ocurrir si no hay diversidad genética, y la supervivencia de las especies depende en gran medida de esta variación genética (Frankham et al. 2009). En las poblaciones naturales, la pérdida de la diversidad genética se asocia a diferentes factores, como el aislamiento por la fragmentación del hábitat y la reducción del tamaño poblacional. Por lo tanto en ciertos casos se ha optado por resguardar poblaciones naturales que se encuentran vulnerables o en peligro de extinción, manteniéndolas en cautiverio (Frankham et al. 2009; Kleiman 1989). Sin embargo, un problema recurrente en el establecimiento de las poblaciones en cautiverio es el número de individuos fundadores con los que se inicia la población. Se estima que se requieren un mínimo de 20 a 30 individuos fundadores para tener una muestra representativa de la variación genética que se encuentra de manera silvestre (Frankham et al. 2009). No obstante, en muchas poblaciones 23 en cautiverio el muestreo inadecuado de los individuos fundadores puede ocasionar pérdidas en la variación genética como consecuencia de la endogamia y la deriva génica (Frankham et al. 2009). Otro de los esfuerzos de la conservación ex situ es incrementar el tamaño poblacional, con el fin de evitar la extinción por causas demográficas de la especie (Woodworth et al. 2002), por lo que un factor de suma relevancia para este esfuerzo son las estrategias de reproducción de los individuos (AZA 2013; Williams y Hoffman 2009). Estas estrategias varían de acuerdo a la historia natural de la especie, incluyendo entre otros factores: ciclo de vida, ciclos reproductivos, madurez sexual, especies monógamas o polígamas, la filopatría y el número de individuos que han alcanzado la madurez sexual en la población. Asimismo, el éxito de la reproducción va a depender de factores genéticos: como los apareamientos entre consanguíneos, la carga génica y la depresión por endogamia, y también de factores ecológicos, pero afectados por los genéticos, como la viabilidad, el establecimiento y la supervivencia de las crías nacidas en cautiverio (Hakansson 2004). De acuerdo a lo anterior, un elemento clave para alcanzar el éxito reproductivo es minimizando la endogamia, maximizando el tamaño efectivo y asegurando la contribución equilibrada de todos los fundadores a la poza génica a través del conocimiento y análisis de las relaciones familiares de la población por medio del studbook, pedigrees o árboles genealógicos. Estas herramientas permiten identificar a los grupos familiares dentro de la población y con ello poder evitar el apareamiento entre individuos cercanamente relacionados (padres-hijos, hermanos y medios hermanos). Conocer el studbook de las poblaciones en cautiverio puede evitar la acción y los efectos de la endogamia y permitir el mantenimiento de la diversidad 24 genética dentro de la población, preservando la mayor variación en la poza génica (Frankham 2008; Williams y Hoffman 2009; Woodworth et al. 2002). Por otra parte, la diversidad genética de las poblaciones en cautiverio muchas veces puede verse afectada debido a que estas poblaciones pueden adaptarse al ambiente en cautiverio. Una de estas adaptaciones está relacionada con un incremento o decremento en el fitness o adecuación para algunos individuos, ya que cuando una población silvestre es llevada a cautiverio hay un cambio en las presiones selectivas. Estos cambios están asociados a que la población cautiva vive en condiciones ambientales diferentes de las naturales, tanto climáticas como relacionadas a que no tienen depredadores, tienen tratamiento veterinario contra infecciones y enfermedades, poseen una fuente de alimento constante, entre otros. En otras palabras, los esfuerzos para la conservación de la especie generan selección artificial e inclusive puede comenzarse un proceso de domesticación (Fischer y Lindenmayer 2000; Frankham 2008; Williams y Hoffman 2009). Los individuos dentro del cautiverio pueden acumular mutaciones deletéreas, o incrementar las frecuencias de alelos deletéreos para el ambiente natural (Woodworth et al. 2002), de manera que al ser reintroducidas a su hábitat natural pueden presentar efectos negativos en su adecuación y aumentar las probabilidades de extinción local (Williams y Hoffman 2009). Sin embargo, también se ha reportado que en poblaciones cerradas, la acción de la selección natural juega un rol muy importante en el mantenimiento de la diversidad genética y en la purga de recesivos letales (Gasca-Pineda et al. 2013; Kauffer et al. 2007). Bajo cualquier perspectiva, la conservación ex situ exige analizar la diversidad genética de las poblaciones. Distintos programas de poblaciones en cautiverio y 25 reintroducción al hábitat natural deben su éxito al énfasis que se le ha dado al monitoreo de la diversidad genética, aunado a la historia natural de las especies. Por ejemplo, las poblaciones de hurones de patas negras (Mustela nigripes), especie endémica de las planicies de Norte América que se consideraba extinta hasta los años 80’s, y está en recuperación gracias a los esfuerzos de conservación ex situ. De acuerdo al Fondo Mundial para la Naturaleza (World Wildlife Fund, WWF) hoy en día existen alrededor de 1,000 individuos de hurones de patas negras. Las poblaciones actuales fueron establecidas a partir de siete individuos fundadores que se reprodujeron en cautiverio. En el monitoreo de la población en cautiverio se incluyeron una serie de medidas para la conservación de la especie a través de un exhaustivo análisis de la diversidad genética actual e histórica, acompañado de estrategias de reproducción a través de la elaboración de un studbook, y estrategias de reintroducción de la especie. Hasta la fecha, las poblaciones reintroducidas y en cautiverio son monitoreadas y analizadas genéticamente para asegurar el éxito del programa (Wisely et al. 2003; 2007). Para que la conservación ex situ sea exitosa, es necesario un plan de manejo para las poblaciones que estudie la composición genética de la población en cautiverio y la silvestre bajo tres vertientes: 1) mantener la diversidad genética dentro de las poblaciones en cautiverio (con un mayor número de individuos provenientes de diferentes poblaciones), 2) elaborarestrategias de reproducción y crianza (a través de estudios de parentesco) de acuerdo a la historia natural de la especie y 3) analizar la viabilidad de reintroducir poblaciones cautivas a su hábitat natural para fundar nuevas poblaciones silvestres, realizando monitoreos de los programas de reintroducción y teniendo en cuenta los costos biológicos, genéticos y el estado del hábitat (AZA 2005; Frankham 2008; Kleiman 1989). 26 Marcadores moleculares Los marcadores moleculares nos permiten responder distintas preguntas que no se habían podido abordar anteriormente con las herramientas de la genética clásica, morfológicas, taxonómicas o de la ecología. Los marcadores moleculares son de gran importancia en el estudio y análisis de la historia evolutiva de las especies, poblaciones, comunidades o metapoblaciones, al proporcionar información sobre los mecanismos evolutivos que las afectan (Frankham et al. 2009). Existen diferentes tipos de marcadores moleculares con diferente resolución genética, que permiten realizar estimaciones cualitativas y cuantitativas de la diversidad genética. Estos proporcionan datos de variabilidad genética, de tasas de migración o de aislamiento genético y de tasas de mutación (Frankham et al. 2009; Simpson 1997). Otros marcadores con herencia uniparental como la mitocondria nos proporcionan información sobre la acción de la selección natural, los procesos evolutivos del linaje de las especies a través de filogenias y los cambios en la distribución histórica de las poblaciones a través de la filogeografía. Entre los marcadores moleculares más utilizados para el estudio de mamíferos se encuentra la Región Control del ADN mitocondrial y los microsatélites nucleares (Apéndice 1). Estos proporcionan historias complementarias con respecto a los procesos evolutivos y ecológicos que han afectado al organismo de estudio. Asi mismo, a través de la información genética que proporcionan los linajes maternos y paternos, se puede obtener un panorama completo no sólo de la cantidad de variación presente en una especie, si no de los procesos evolutivos que la han influenciado (O’ Brien 1994; Selkoe y Toonen 2006). La 27 Tabla 1, clasifica a estos dos marcadores moleculares de acuerdo a sus características, capacidad de resolución y aplicaciones. Tabla 1. Diferencias entre Microsatélites y Región Control del ADN mitocondrial y sus aplicaciones de acuerdo con sus características (Lavergene et al. 2003; Sanders et al. 2000, Selkoe y Toonen; Schlötterer 2000, Tarbelet 1996; Vázquez 2007). Marcador Microsatélites Región Control Fuerzas evolutivas Mutación, deriva génica, endogamia, flujo génico y estructura génica. Mutación, selección natural, deriva génica Localización ADN nuclear. ADN mitocondrial. Constitución Constituido por secuencias de 2 a 7 nucleótidos que se repiten en tándem, formando fragmentos de hasta 500 nucleótidos. Gran número de copias por célula. Su tamaño es de aproximadamente 1000 pb Tipo de herencia Biparental. Uniparental, por vía materna. Variación Alta variación genética. Alta variación genética (menor en comparación con microsatélites). Acumulación de variación El polimorfismo se da por la variación en el número de secuencias cortas repetidas en un corto lapso de tiempo. Es un marcador codominante, permite definir a los individuos heterócigos. Alta pérdida de alelos por errores de slippage durante la replicación del ADN. Los distintos haplotipos son resultado de la acumulación de mutaciones puntuales en el proceso evolutivo. Recombinación Si recombina No recombina Tasa de mutación Alta (10 -2 y 10 -6 por locus por generación). Alta: evoluciona de 4 a 5 veces más rápido que la molécula completa del ADN mitocondrial. En el caso de roedores se reporta una tasa de mutación de 2.22 x 10 -9 (Kumar y Sabramanian 2001) Uso Análisis de diversidad genética, parentesco, deriva génica y flujo génico. Análisis de diversidad genética, selección natural, análisis filogeográficos, cambios en la distribución histórica de las poblaciones. 28 Estimadores genéticos Principio Hardy-Weinberg. El principio Hardy-Weinberg es un modelo nulo en sistemas diploides que segregan de manera Mendeliana y se reproducen sexualmente. Emplea los fundamentos de la probabilidad permitiéndonos entender la genética de poblaciones a través de los cambios en las frecuencias alélicas, frecuencias genotípicas y los mecanismos evolutivos que actúan en una población (Hamilton 2009). El principio describe como es la distribución de las frecuencias genotípicas en una población en función de las frecuencias alélicas. Este modelo nulo, asume que en una población ideal las frecuencias alélicas no cambian, si se cumplen cuatro condiciones: 1) El tamaño de la población es infinitamente grande; 2) Los apareamientos son azarosos; 3) Todos los alelos son igualmente competentes para heredarse; y 4) No se incorporan genes nuevos a la poza génica. Sin embargo, sólo se requiere violar una condición de una población ideal para que las frecuencias alélicas y genotípicas cambien con respecto a lo esperado bajo este modelo (Eguiarte 1986; Hedrick 2005). En organismos diploides cada gen tiene dos copias: una que proviene de la madre y otra del padre. En el modelo, para cada gen existen dos variantes (A1 y A2) y a cada una se les denomina alelos, mientras que al gen particular se le llama locus (Eguiarte 1986). Para explicar el principio Hardy-Weinberg utilizamos el modelo un locus (A), dos alelos (alelo: A1 y alelo: A2). Bajo este modelo después de una generación con apareamientos al azar, las frecuencias genotípicas esperadas bajo el equilibrio Hardy-Weinberg serán: 29 Donde A1A1 son los individuos con el genotipo Homócigo Dominante (D). Los individuos A1A2: A2A1 representan al genotipo Heterócigo (H), y los individuos A2A2 presentan el genotipo Homócigo Recesivo (R). La suma de los tres genotipos es el número total de individuos en la población (N), con los cuales podemos calcular las frecuencias genotípicas: D= A1 A1/N; H= A1 A2/N; R= A2 A2/N Una vez obtenidas las frecuencias genotípicas, podemos calcular las frecuencias alélicas: la proporción total del alelo A1 (frecuencia alélica “p”) y la proporción total del alelo A2 (frecuencia alélica “q”)con la siguiente fórmula: A1=p= D + 1 /2H; A2=q= R + 1 /2H La frecuencia del alelo p es igual a la suma de la frecuencia genotípica del homócigo dominante, más ½ de la frecuencia genotípica del heterócigo, es decir todos los homócigos dominantes más la mitad de los heterócigos (p = D + 1 /2H). La frecuencia del alelo q es igual a la suma de la frecuencia genotípica del homócigo recesivo, más ½ de la frecuencia genotípica del heterócigo (q = R + 1 /2H). A partir de cualquier frecuencia genotípica inicial (D, H, R), en la siguiente generación se dará la relación: D = p 2 ; H= 2pq; R = q 2 30 La suma de las frecuencias genotípicas será igual a 1 (p 2 + 2pq + q 2 = 1). De este modelo derivan dos importantes conclusiones. La primera es que en la población ideal, donde se cumplen las cuatro condiciones, ninguna fuerza evolutiva (selección natural, deriva génica, endogamia, mutación y flujo génico) estará actuando. La segunda consecuencia, se refiere a que las frecuencias alélicas y genotípicas permanecen constantes de generación en generación. Es decir, la población está bajo el Equilibrio de Hardy-Weinberg (Eguiarte 1986; Hamilton 2009; Hedrick 2005). Debido a que las diversas poblaciones presentan una dinámica diferente en su historia natural y composición genética, generalmente no se cumplen las condiciones de una población ideal y las frecuencias observadas varían con respecto a las esperadas en el equilibrio Hardy-Weinberg (Eguiarte 1986; Hedrick 2005).31 Variación genética La variación es la fuente promotora de la evolución de las especies. La composición genética depende principalmente de las tasas de flujo génico, tamaños poblacionales y la selección, dentro y entre las poblaciones naturales. En todas las especies la variación genética cambia en el tiempo y el espacio, pudiéndose detectar y cuantificar de acuerdo a los variantes morfológicos, cromosomales, grupos sanguíneos y otros marcadores genéticos (Hedrick 2005). Para entender la influencia que ejercen la selección natural, la deriva génica, la mutación, el flujo génico y la endogamia, primeramente se debe describir y cuantificar la variación genética en las poblaciones (Hamilton 2009; Hedrick 2005). La mejor forma de medir la variación a nivel genético es a través de las secuencias de nucleótidos y aminoácidos. La diversidad genética generalmente se puede cuantificar evaluando los diferentes haplotipos y genotipos que se encuentran en las poblaciones, y es normalmente descrita usando como estimadores la riqueza alélica, el polimorfismo, la heterocigosis y la diversidad nucleotídica. Riqueza alélica. La riqueza alélica, se define como el número de alelos observados en un locus en una población (Hedrick 2005). También se define como el número de alelos observados en todos los loci, dividido por el número total de loci analizados (Alarcón 2010; Hamilton 2009). Se calcula a partir de la siguiente fórmula: 32 Donde n: número de alelos en todos los loci; N: Número de loci muestreados. Esta medida es muy sensible a la pérdida de variación en poblaciones pequeñas y nos permite analizar el potencial evolutivo de las poblaciones a largo plazo. El número de alelos que pueden encontrarse depende del tamaño de la muestra y de la frecuencia de cada alelo. Proporción de Loci Polimórficos La proporción de loci polimórficos en una población se utiliza para comparar la variación entre poblaciones y especies, permitiendo detectar alelos raros. El polimorfismo genético es la concurrencia de encontrar en una misma población dos o más alelos diferentes en un locus, con una frecuencia apreciable. La proporción de polimorfismos por loci se calcula: Donde x es el número de loci polimórficos en una muestra de m loci (Hedrick 2005). Los microsatélites y la región control son marcadores moleculares que generalmente se seleccionan para análisis de diversidad genética, ya que presentan altos niveles de polimorfismo (Ellegren 2004). 33 Heterocigosis Esperada o Diversidad Genética. A un individuo diploide se le denomina heterócigo cuando posee en un locus dos alelos diferentes los cuales puede transmitir a la siguiente generación. La variación genética de una población, puede cuantificarse a través de la heterocigosis esperada en el equilibrio de Hardy-Weinberg. Esta es una medida biológica que nos permite conocer la cantidad de heterócigos en las poblaciones ideales (Hedrick 2005). Una forma de calcular la heterocigosis esperada o diversidad genética para cada locus es con la fórmula de Nei (1987): Donde: Pj, es la frecuencia para el alelo j del locus i con l (número de alelos en una población), y N es el número de individuos. Esta medida de variación genética es de suma importancia ya que a partir de la heterocigosis podemos conocer el efecto de las fuerzas evolutivas sobre la diversidad genética de las poblaciones a través del tiempo, predecir los efectos que genera la reducción en el tamaño poblacional, identificar la respuesta de las poblaciones a la selección natural y para ayudar en la estimación de los coeficientes de endogamia en los individuos (Hedrick 2005). Diversidad Haplotípica La diversidad haplotípica (Hd) se define como la probabilidad de tener dos haplotipos diferentes dentro de una muestra. Esta medida de variación nos permite 34 identificar los distintos haplotipos que hay en una población y la frecuencia en la que se encuentran. Esta medida de variación genética se obtiene mediante la siguiente fórmula (Nei y Tajima 1981): Donde Xi es la frecuencia de un haplotipos y n es el tamaño de la muestra. Diversidad Nucleotídica La diversidad nucleotídica (π) se define como el número de nucleótidos diferentes por sitio entre dos secuencias tomadas al azar. Este estimador nos permite evaluar si las secuencias se encuentran bajo un modelo neutro y conocer la distribución de los sitios polimórficos (Hedrick 2005). Donde πij es la proporción de los diferentes nucleótidos entre las secuencias de ADN i y j. xi y xj son las respectivas frecuencias de esas secuencias, y n es el número de secuencias de ADN examinadas (Nei, 1987). Theta de Watterson (θS) Esta medida nos permite estimar la diversidad genética del número de sitios segregantes en una muestra de secuencias de ADN. Si el loci es neutro, la θW (estandarizada por sitio de ADN) tendrá valores iguales a π (θW = π). Si la secuencia no es neutra, theta y pi tendrán valores diferentes, ya que π se ve mayormente afectada por los 35 alelos en mayor frecuencia e independiente al tamaño de la muestra, mientras que θ se ve afectada por el tamaño de muestra y los alelos en bajas frecuencias (los haplotipos poco frecuentes, puede afectar el valor de esta medida debido a la acción de la deriva génica) Castillo 2007; Hedrick 2005; Ochoa 2008; Nei 1987). Donde S, es el total de sitios segregantes en una muestra de secuencias y, a: se refiere al número de secuencias de la muestra (generalmente se emplea una estandarización). Se empleo la prueba de Tajima (1989), para identificar si los patrones de variación genética en las secuencias son consistentes con la teoría neutral (Ochoa 2008). Esta prueba se basa en la diferencia de los estimadores π y θ, calculada a partir del estadístico D (Castillo 2007). Donde D = 0, cuando θ = π y la población se encuentra en equilibrio neutral; si los valores de D son negativos, θ posee valores mayores a π lo que indica la presencia de selección negativa o mutaciones deletéreas; cuando los valores de D son positivos, π es mayor a θ lo que sugiere que un tipo de selección positiva está actuando en la población. 36 Fuerzas evolutivas que actúan en poblaciones en cautiverio Durante el ciclo de vida de las poblaciones silvestres y cautivas, todas las especies se encuentran sujetas al proceso evolutivo, en donde la acción de las fuerzas evolutivas: la selección natural, la deriva génica, la endogamia, las mutaciones y al flujo génico (Apéndice 2), son los responsables de la diversidad histórica y actual que observamos. El que se presente una o varias fuerzas evolutivas en el proceso evolutivo de las poblaciones dependerá de los factores extrínsecos (presiones ambientales, ecológicas, demográficas, geológicas y perturbaciones antropogénicas) y los factores intrínsecos de la población (la consanguinidad y poseer dentro de la población genotipos poco aptos, es decir con una baja probabilidad de sobrevivencia y reproducción) (Allendorf y Luikart 2007). Como se ha mencionado anteriormente, las poblaciones que se encuentran en cautiverio se caracterizan principalmente por ser poblaciones pequeñas y en algunas ocasiones haber sido fundadas por un reducido número de individuos. Estas poblaciones están sujetas a diferentes mecanismos evolutivos, principalmente la endogamia y ha cambios en el tamaño efectivo generados por fenómenos demográficos como cuellos de botella que incrementan la deriva génica. Adicionalmente, la adaptación genética al ambiente cautivo en muchas poblaciones reduce aún más la variación genética y la sobrevivencia de los individuos si son liberados a las condiciones naturales (Allendorf y Luikart 2007; Frankham 2008). Endogamia. La endogamia es un mecanismo evolutivo que se define como el cruzamiento entre individuos emparentados. Su efectoprimario es generar cambios en las frecuencias 37 genotípicas en la población con respecto a las esperadas bajo el equilibrio Hardy-Weinberg (Crnokrak et al. 1999; Hamilton 2009; Hedrick 2005). Los coeficientes FIS y FIT, son medidas de la desviación del equilibrio Hardy- Weinberg (dentro de las poblaciones y subpoblaciones) que nos permite conocer la manera en que ocurren los apareamientos dentro de la población. Estos coeficientes cuantifican los niveles de endogamia en las poblaciones y estiman la diferenciación entre las subpoblaciones (Alarcón 2010). El coeficiente FIS o coeficiente de endogamia es la probabilidad de que un individuo reciba en un locus dado, dos alelos que sean Idénticos Por Ancestría (IBD por sus siglas en inglés). Dentro de la población, el coeficiente FIS, puede tener valores de -1 a 1. Si FIS ≤ 0: hay un exceso de heterócigos, presentando altos niveles de variación genética y diferenciación entre los individuos de la población. Si los valores de FIS ≥ 0, hay un exceso de homócigos, todos los individuos presentan las mismas frecuencias genotípicas y hay una reducción en la diversidad genética. Cuando FIS = 0, los apareamientos son aleatorios, cumpliendo la condición de una población ideal (Eguiarte 1989; Hamilton 2009; Hedrick 2005). La acción de esta fuerza puede conducir a la población a una depresión por endogamia (Frankham 1998). La depresión por endogamia puede ser causada por dos mecanismos: 1) un decremento del fitness o adecuación como consecuencia de la expresión de los alelos deletéreos; y 2) el decaimiento de la heterocigosis observada, ya que incrementa la frecuencia de homocigotos y por tanto reduce las frecuencias de los heterocigotos (Ballou 1997). 38 En lo que se refiere a las poblaciones en cautiverio, muchas ocasiones son establecidas por un número reducido de fundadores (Hedrick et al. 1997), y generalmente no hay ingreso de nuevos alelos por flujo génico, por lo que uno de los efectos que esto tiene son altos niveles de endogamia, ya que la poza génica es homogénea en la población cautiva y los apareamientos se dan entre consanguíneos. Ejemplo de ello son las poblaciones en cautiverio del lobo mexicano (Canis lupus baileyi), donde una de las poblaciones presenta altos valores de endogamia (FIS = 0.608) y estos valores están relacionados con el reducido número de fundadores (2 fundadores) (Hedrick et al. 1997). De acuerdo con la teoría, un población en presencia de selección puede reducir o evitar los efectos de la depresión por endogamia (a través de la fuerza de la selección contra los alelos recesivos deletéreos). Como método de conservación, en múltiples poblaciones cautivas se han realizado estrategias de "purga", las cuales consisten en reducir la frecuencia de los alelos recesivos deletéreos, a través del monitoreo del coeficiente de endogamia, el conocimiento del sistema de apareamiento y la historia demográfica de la población (Ballou 1997; Williams y Hoffman 2009). Con las nuevas técnicas de next generation, poseer los genomas de poblaciones cautivas, nos permitirá identificar adaptaciones al ambiente cautivo o genes relacionados con un decaimiento de la adecuación y en base a ello, elaborar nuevas estrategias y perspectivas para la conservación de la población. 39 Deriva génica Es un mecanismo evolutivo que genera cambios aleatorios en las frecuencias alélicas con respecto al tiempo y tiene un efecto mayor en poblaciones pequeñas, como aquellas que se encuentran en cautiverio. La deriva génica reduce la variabilidad genética dentro de la población, y con el tiempo los miembros de la población pueden llegar a ser genéticamente idénticos al fijarse alelos. También puede conducir a un aumento en la varianza entre las poblaciones, donde por azar las poblaciones separadas pueden llegar a tener frecuencias alélicas completamente distintas (Allendorf y Luikart 2007; Hamilton 2009). La deriva génica está asociada a eventos demográficos como: el cuello de botella y el efecto fundador. La acción conjunta de estos componentes (deriva génica-cuello de botella o deriva génica-efecto fundador) generalmente implica la reducción de la diversidad genética y la fijación de alelos en las poblaciones. Cuello de botella y efecto fundador Un cuello de botella es un evento demográfico donde hay una reducción drástica en el tamaño de la población como consecuencia de una extinción. Sólo un pequeño número de individuos que sobreviven a esta reducción serán los que aportarán genes al relicto de la población total. Para la composición genética de la población, esto genera en principio cambios en las frecuencias alélicas, una reducción de la diversidad genética y la fijación de alelos (que pueden ser deletéreos o no). Estos efectos genéticos pueden mantenerse por cientos o miles de generaciones, a pesar de que el tamaño poblacional con el paso del tiempo sea grande (Allendorf y Luikart 2007; Slade et l 1988; Swatdipong et al. 2010). 40 Un ejemplo de este evento demográfico, son las poblaciones de hurones de patas negras (Mustela nigripies). Entre los años 1972 y 1986, se tiene reportado una drástica reducción poblacional del 96%. La última población silvestre de hurones de patas nagras (para el año de 1985) presentaba una tamaño poblacional de 40 individuos, posteriormente hubo una reducción poblacional debido enfermedades. Sólo sobrevivieron 18 individuos (en el año 1986), de los cuales 7 individuos son los fundadores de las poblaciones actuales. De las tres poblaciones donde se tiene reportada la presencia histórica de hurones (Kansas, Dakota y Wyoming, EUA), sólo una población (Kansas) presentó alta diversidad genética, mientras que en las otras dos, los niveles de diversidad genética observados fueron bajos, debido al fuete cuello de botella (Wisley et al. 2003; 2007). El efecto fundador ocurre cuando un número de organismos (generalmente con tamaño poblacional pequeño), funda colonias aisladas, es decir, se establece una nueva población a partir de pocos individuos, separándose de la población original. Tomar una pequeña muestra de la composición genética de la población original puede ocasionar que azarosamente cambien las frecuencias alélicas, y con ello se produzcan cambios en las frecuencias genotípicas. Si la composición genética de los individuos fundadores es representativa de la población original, pueden presentarse altos niveles de diversidad genética manteniéndose en un mayor lapso de tiempo (Allendorf y Luikart 2007; Hamilton 2009; Kaeuffer et al. 2007). La colonización de islas resulta ser un buen ejemplo del efecto fundador, como es el caso de los pájaros Silvereye (Zosterops lateralis). Estas aves colonizaron la Isla de Tasmania en cuatro eventos distintos (Clegg et al. 2002; Falla et al. 1966; Hutton 1991). En relación es estos eventos de colonización, se ha observado una reducción de la diversidad 41 genética, y una fuerte diferenciación genética, que ha permitido diferenciar entre las viejas formas de la especie que habitaban las isla y las nuevas formas de colonización reciente (efecto fundador). La historia demográfica y genética de esta especie es interesante, ya que tres de los cuatro eventos fundadores están separados entre sí por aproximadamente 50 generaciones, y estos tiempos generacionales han sido suficientes para que exista diferenciación genética (Clegg et al. 2002). Diferenciar estos dos fenómenos demográficos resulta complicado, ya que los cambios genéticos que se generan son similares. Sin embargo, el cuello de botella supone la pérdida de diversidad genética debido a la reducción drástica de una población por procesos ecológicos, en donde la pérdida de alelos raros es mucho mayor que la pérdida de la heterocigosis (Frankel y Soulé 1981). El efecto fundador implica una reducción en la diversidad genéticapor tomar una pequeña muestra de la poza génica de la población original porque se forma una nueva población o se coloniza una nueva localidad (Eguiarte 1986; Hamilton 2009). 42 Sujeto de Estudio Cynomys mexicanus, también llamado perrito de la pradera mexicano, perrito llanero mexicano o simplemente “tuza” (SEMARNAT 2012), se clasifica dentro de la Clase Mammalia, Orden Rodentia, Suborden Sciuromorpha, Familia Sciuridae, Género Cynomys, Subgéneros Cynomys (Cynomys), Especie: Cynomys (C.) mexicanus (Ceballos y Wilson 1985; Goodwin 1995). La punta de la cola es negra (Fig. 2), por lo que se agrupa a C. mexicanus y C. ludovicianus dentro del mismo subgénero (Cynomys). Las características morfológicas similares entre ambas especies llevaron a establecer la hipótesis de que C. mexicanus representa un relicto de una población derivada de C. ludovicianus que quedó aislada debido a cambios en la distribución relacionados con los cambios climáticos del Pleistoceno (Pizzimenti y McClenaghan 1974). De este género se tiene registro fósil a partir del Cuaternario Tardío, donde la distribución se restringía a las grandes planicies de Norteamérica (Goodwin 1995; Riddle 1998). Basándose en la distancia genética de Nei, el tiempo estimado de divergencia entre C. mexicanus y su especie hermana C. ludovicianus, es de 42,180 años (McCullough y Chesser 1987). La coloración varía, ya que el pelaje puede tener cuatro bandas de color: negro proximal, seguido de blanco, posteriormente rojo y en la cola un color amarillento, donde la parte basal de la cola presenta esta coloración y la parte distal de la cola posee el pelaje negro característico del subgénero. El esqueleto es amplio y angular, el yugal tiene bien desarrollado la placa triangular y la fórmula dental es: i 1/1, c 0/0, p 1/1, m 3/3, con un total de 20 piezas dentales. 43 Figura 2.- Perro de la pradera mexicano (Cynomys mexicanus), se puede observar la característica de la punta de la cola negra (Foto: Daniel Orozco). Su ciclo reproductivo es anual. Se presenta dimorfismo sexual con respecto a la longitud del cuerpo, el peso y el aparato reproductor. En machos el rango en la longitud del cuerpo va de 385 a 440 mm, mientras que las hembras son ligeramente más pequeñas. En individuos adultos se reporta un peso de 910 g. para las hembras y 1,200 g. para los machos (Ceballos y Wilson 1985; Pizzimenti y McClenaghan 1974). El número de cromosomas es diploide (2N = 50). Como se ha reportado para muchos mamíferos vertebrados, del ADN mitocondrial se conoce que el gen Citocromo b está conformado por 1140 pares de bases y la Región Control constituida por aproximadamente 1000 pares de bases (Ceballos y Wilson 1985; Chumacero et al. 2006; Harrison et al. 2003). Del género Cynomys no se tienen datos genómicos, sin embargo se conoce el genoma de la ardilla de tierra de trece líneas (Ictidomys tridecemlineatus) que pertenece a la familia Sciuridae. El genoma de Ictidomys tridecemlineatus está constituido por 2,300,060,300 pares de bases, donde se localizan 18,026 genes codificantes, 3,166 genes no codificantes, 406 pseudogenes y 23,572 genes transcripcionales (código de acceso Gen Bank Assembly ID GCA_000236235.1) (Di Palma et al. 2011). Dado que la ardilla de tierra de trece líneas está estrechamente relacionada con el género Cynomys, para futuros análisis del genoma de los perritos de las praderas éste puede tomarse como genoma de referencia. 44 Cynomys mexicanus es un especie endémica del noroeste de México que habita los pastizales cortos. Geográficamente se encuentra restringida, con una distribución histórica menor a 800 Km 2 , habitando áreas reducidas de los estados de Coahuila, Nuevo León, San Luis Potosí y Zacatecas (Ceballos y Wilson 1985). Actualmente las poblaciones de Zacatecas se encuentran extintas, y la distribución se restringe a los valles amplios y llanos inter montañosos hacia el sureste de Coahuila y porciones colindantes de San Luis Potosí y Nuevo León (Fig. 3). Figura 3.- Mapa de la distribución geográfica de la especie Cynomys mexicanus (para el año 2004). Se localizan 54 colonias activas de perrito de la pradera mexicano distribuidas en los estados de Coahuila, Nuevo León y San Luis Potosí. (Mapa tomado y modificado de Scott-Morales et al. 2004; 2005). Las poblaciones de Cynomys mexicanus, están limitadas a altitudes que se encuentran entre 1,200 y 1,600 msnm. (Scott-Morales et al. 2004; Romero et.al. 2003). Actualmente, el rango geográfico ocupado por las poblaciones de perrito de la pradera 45 mexicano ha tenido una reducción estimada del 33% entre los años 1996-1999. Comparando la distribución histórica y actual, las poblaciones se han reducido en total alrededor del 74%, con una disminución del 40% de la superficie en km 2 , en los últimos 19 años (González et al.; 2012; Treviño y Grant 1998). La reducción en la distribución geográfica de las poblaciones de Cynomys mexicanus está relacionada con eventos estocásticos (principalmente las sequías), pérdida y deterioro del hábitat, desertificación del paisaje y el efecto que ejercen las actividades humanas con respecto a los cambios de uso del suelo para la agricultura y el pastoreo (González et al. 2012; Scott-Morales et al. 2004; Treviño y Grant 1998). Otro factor involucrado en la reducción de su distribución, fueron las campañas de caza y envenenamiento contra el perrito llanero mexicano en los años 80’s, al ser considerado una plaga (Hoogland 1995). Actualmente, se les continúa cazando y envenenando, ya que se tiene la creencia de que los perritos compiten con el ganado por el alimento, a pesar de que la alimentación de C. mexicanus está basada en otro tipo de plantas (González et al. 2012; Hoogland 1995). Los perritos de la pradera son animales diurnos. Habitan madrigueras que ellos mismos excavan. Cada madriguera está separada una de otra por aproximadamente 10 metros de distancia y más de dos metros de profundidad. La tierra excavada es concentrada en la entrada de la madriguera formando montículos que les permiten observar y vigilar a los depredadores. Se ha descrito que dentro de cada madriguera forman un sistema de túneles que conectan una con otra (Ceballos y Wilson 1985). 46 Cynomys mexicanus es una especie social que vive en colonias. Las colonias están organizadas en grupos familiares, generando una compleja interacción entre los individuos. Se ha reportado para las especies C.ludovicianus, C. gunnison y C. parvidens una composición de un macho sexualmente maduro, de 2 a 5 hembras sexualmente maduras, de 1 a 2 juveniles, y de 2 a 4 crías para cada grupo familiar. Para el género Cynomys, generalmente la dispersión recae en los machos ya que las hembras son filopátricas, es decir, permanecen en el grupo familiar en el que nacen. Hoogland (2013) describe que la probabilidad de dispersión de las hembras varía de acuerdo al número de parientes cercanos dentro del grupo familiar, siendo más probable cuando en éste no hay parientes presentes. Cynomys mexicanus es una especie ecológicamente clave. Su presencia en los pastizales incrementa la diversidad biológica, ya que las madrigueras abandonadas por lo perritos son utilizadas por otros organismos. Se ha reportado la presencia de juanitos (Xerospermophilus spilosoma) y el tecolote llanero (Athene cunicularia) en las madrigueras abandonadas (Ceballos y Wilson 1985). Dentro de la cadena alimentaria, el perrito de la pradera tiene un papel fundamental, ya que es presa de diversos animales, como el tejón o tlalcoyote (Taxidea taxus), el coyote (Canis latrans), la comadreja (Mustela frenata), el águila real (Aquila chrysateos), el halcón cola roja (Buteo jamaicensis) y la víbora de cascabel (Crotalus sp.) (Ceballos y Wilson 1985). La actividad de la especie en el paisaje los convierte en “ingenieros ecosistémicos”(Fig. 4), al incrementar la infiltración de agua, remover los nutrientes del suelo, incrementar el almacenamiento de carbono, regular la erosión del suelo, regular el potencial productivo del suelo, incrementar la biomasa forrajera y cambiar la composición de la flora (Ceballos et al. 2010, 2013; Martínez- Estévez et al. 2013; Slobodchikoff et al. 2009). 47 Figura 4.- Diversas maneras en que los perros de la pradera (Género Cynomys) afectan los procesos ecosistémicos (Slobodchikoff et al. 2009). En la actualidad, los pastizales donde habita Cynomys en México presentan densos matorrales, debido al sobrepastoreo del ganado y la dispersión de semillas de plantas leñosas, como son los mezquites. La presencia de los perritos de las praderas es muy importante para el mantenimiento de los pastizales, al contrarrestar el crecimiento del mezquite y el avance de otras plantas leñosas, y a su vez, esta especie clave depende de los pastizales cortos y abiertos para sobrevivir (Ceballos 2005; CONANP 2006) A pesar del impacto que tiene la especie en el ecosistema, el declive de colonias activas continúa, lo que ha marcado a esta especie como especie en peligro de extinción en la NOM-ECOL-059-2010 (SEMARNAT 2010). Asi mismo, la Convención sobre el Comercio Internacional de Especies Amenazadas de Fauna y Flora Silvestre (CITES) incluye a C. mexicanus dentro de sus listas de especies en riesgo (CITES 2008-Apéndice I) y la CONANP incluye al perrito de la pradera mexicano dentro de su Programa de Conservación de Especies en Riesgo (PROCER) 2007-2012. Además, la UICN en el 2008 incluye a esta especie en la Lista Roja de Especies Amenazadas (UICN, 2014). 48 ANTECEDENTES La conservación de las especies es de gran importancia para el ecosistema, la biodiversidad y los endemismos de México. El perrito de la pradera mexicano es una especie endémica en peligro de extinción. La fragmentación de su hábitat y la reducción de las poblaciones naturales vuelven a esta especie un desafío para la conservación de la diversidad biológica y genética. Una de las opciones para preservar a las poblaciones del perrito llanero mexicano es a través de la conservación ex situ. Siguiendo las normas y prácticas internacionales actuales, sería importante realizar análisis de la composición genética para conocer cómo se encuentra la diversidad genética en las poblaciones en cautiverio. Adicionalmente, es importante tener como referencia la composición genética de la población fundadora, para así determinar si se presentan cambios de la diversidad genética de la población ex situ. Paradójicamente, C. mexicanus, a pesar de ser reconocida como una especie clave para el ecosistema y endémica, ha sido poco estudiada. Los análisis y estudios genéticos sobre la especie son escasos. Se conoce la secuencia del gen Citocromo b y la secuencia de la Región Control (Guevara-Chumacero et al. 2006; Harrison et al. 2003). Se cuenta con un estudio filogeográfico realizado por Castellanos-Morales et al. (En revisión), que analiza la diversidad genética nuclear y mitocondrial de diferentes colonias del perrito de la pradera mexicano; y otro estudio elaborado por McCullough y Chesser (1987) que analiza y compara la variación genética y las distancias genéticas de las dos especies hermanas: C. ludovicianus y C. mexicanus, empleando aloenzimas como marcadores moleculares. Su muestra de perrito de la pradera mexicano está conformada por un total de 29 individuos, 49 distribuidos en tres poblaciones: La Providencia, Nuevo León (N = 8); Gómez Farías, Coahuila (N = 12); y Las Colonias, Coahuila (N = 9). Reportando 32 loci no variables y 14 loci polimórficos, con una heterocigosis promedio de 0.089, la cual fue mayor a la de C. ludovicianus (HE = 0.061). Estas, diferencias pueden relacionarse con el tamaño de la muestra (el tamaño de la muestra de C. ludovicianus fue de sólo 15 individuos). En cuanto al análisis de diferenciación genética, se reportan valores bajos de estructura génica (FST = 0.07), que de acuerdo con los autores, indica un considerable intercambio genético entre poblaciones de C. mexicanus (McCullough y Chesser 1987). Estos autores estimaron el número de migrantes efectivos (Nm) con valores de Nm = 3.3, lo cual sugiere que por generación son 3 migrantes efectivos los que mantienen el flujo génico entre las poblaciones. Sin embargo, el valor bajo de FST también podría estar relacionado a que las poblaciones se han separado recientemente (McCullough y Chesser 1987). 50 OBJETIVOS Objetivo General Caracterizar y evaluar la diversidad genética de una población de Cynomys mexicanus en cautiverio localizada en el Museo del Desierto, Coahuila, tomando como referencia datos provenientes de la población fuente que se encuentra localizada en el Rancho Los Ángeles, Coahuila. Objetivos Particulares Evaluar la variación genética presente actualmente en la población cautiva de Cynomys mexicanus. Comparar y relacionar la diversidad genética de la población de Cynomys mexicanus en cautiverio con respecto a la población fundadora. Con base a los datos nucleares (microsatélites), elaborar un análisis de parentesco para la población cautiva. Con base a los datos genéticos, elaborar sugerencias de manejo para la población en cautiverio de Cynomys mexicanus. 51 HIPÓTESIS Hipótesis Dado que la población en cautiverio de C. mexicanus fue fundada por cinco individuos hace aproximadamente 10 años, se espera encontrar en los análisis genéticos una baja diversidad genética con respecto a la población fuente, debido a un efecto fundador y a la acción de la deriva génica y endogamia en las siguientes generaciones. Hipótesis Alternativa La población en cautiverio podría presentar una elevada diversidad genética, similar a la población del Rancho Los Ángeles, debido a varios factores como: 1) una composición genética de los individuos fundadores con alta variación genética, es decir heterócigos; 2) los fundadores pudieron provenir de diversas poblaciones, con pozas génicas diferentes; y 3) la población cautiva creció rápidamente, (disminuyendo los efectos de la endogamia y deriva génica). 52 MATERIALES Y MÉTODOS Método de muestreo Se analizó una población de perrito de la pradera mexicano en cautiverio, que se encuentra en el “Museo del Desierto” en la ciudad de Saltillo, Coahuila. Dicha organización, concedió el permiso de colecta para realizar el trabajo de campo con la población cautiva. El espacio donde se localiza la especie es de aproximadamente 10 x 10 m 2 . De acuerdo con información proporcionada por el Director de Fauna del Museo del Desierto, Arq. Fernando Toledo, los antecedentes registrados de esta población es que fue establecida por cinco individuos hace aproximadamente 10 años, a partir de fundadores provenientes de una población silvestre localizada en el Rancho Los Ángeles, Coahuila. Se desconoce la distribución de sexos y edades de los individuos fundadores. Han transcurrido aproximadamente tres generaciones desde la fundación de la población, contando actualmente con una colonia conformada por 20 individuos, de acuerdo a la ficha técnica de la especie en el Museo del Desierto (2005), sin embargo, durante el muestreo se contaron entre 23 y 26 individuos. La población fundadora está localizada en el Rancho Los Ángeles, Coahuila. Este rancho es propiedad de la Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro (UAAAN), la cual dedica gran parte de esta área a la ganadería de bovinos, sin perturbaciones drásticas en el medio (Peregrino 1995). Se ubica entre los 25° 02’ 12” y 25° 08’ 51” latitud Norte y 100° 58’ 07” y 100° 04’ 14” longitud Oeste, área de 7, 500 ha. La temperatura promedio anual va de 18° a 22° C, y la precipitación promedio es de 307.2 mm, con climas de tipo 53 seco a desértico
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