La genetica del guppy. Questo articolo è una semplificazione e traduzione di un articolo pubblicato su Proceeding s of the Royal B society, ed è uno studio sui loci legati alla varianza di colore e forma nei maschi di Poecilia reticulata (guppy). Per approfondire e capire al meglio, consiglio anche la lettura dell’articolo originale e delle fonti in esso elencate.
Introduzione allo studio della genetica del guppy (Poecilia reticulata)
I pesci della famiglia Poeciliidae sono utilizzati come modello per lo studio dell’evoluzione, dell’ecologia, del comportamento, della genetica dei tumori e della genomica.
Le popolazioni naturali di guppy (Poecilia reticulata) sono state studiate per più di 80 anni (Winge 1922a) e molte delle forze selettive che guidano la variazione fenotipica tra le popolazioni sono ben note (Haskins et al. 1961).
Oltre a moltissimi di studi ecologici ed evolutivi, i guppy sono stati storicamente studiati come un modello per l’eredità legata al sesso di una varietà di tratti ornamentali maschili importanti per la selezione e l’adattamento sessuale nelle popolazioni naturali.
L’evoluzione della genetica dei pattern nei guppy selvatici
L’evoluzione di diverse strategie comportamentali e adattive di questa specie in natura è specificatamente guidata da un delicato equilibrio di forze selettive naturali e sessuali. Una varietà di studi riguardanti questi aspetti della biologia del guppy hanno generato una base per stabilire questa specie come un modello evolutivo (Houde & Endler 1990; Magurran & Nowak 1991; Magurran 2001, 2005; Brooks 2002; Crispo et al.2006; Olendorf et al.2006).
In questo studio vorremmo comprendere le basi molecolari che stanno alla base dell’estremo polimorfismo del colore maschile e di altri tratti variabili. Questi tratti sono stati importanti per l’evoluzione e il successo adattativo dei guppy nel loro habitat (Haskins et al. 1961; Reznick & Endler 1982; Endler 1991). Sono quindi necessarie mappe genetiche per effettuare la mappatura dei loci sottostanti alla variazione quantitativa (quantitative trait loci (QTL). Inoltre, servirà la clonazione di geni basata su mappe definite da alleli mutanti o naturali (Karsi & Waldbieser 2004; Kazianis et al. 2004b). Per finire, un’analisi completa dell’evoluzione del genoma tra ceppi e specie correlati (Gates et al. 1999; Naruse et al. 2000; Danzmann et al. 2005; Stemshorn et al.2005).
Mappe dettagliate di collegamento genetico sono state elaborate per diverse specie di pesci commercialmente e scientificamente importanti. Possiamo trovare: tilapia, trota iridea, pesce gatto, salmone atlantico, medaka, salmerino alpino, pesce zebra, fugu e platy (Young et al.1998; Gates et al.199999; Naruse et al.2000; Sakamoto et al.2000; Gilbey et al.2004; Kazianis et al.2004a; Woram et al.2004; Kai et al.2005; Lee et al.2005).
Perché studiare la genetica del guppy
Il guppy è stato uno dei primi vertebrati per i quali è stata dimostrata l’eredità legata al sesso e la prima mappa di linkage di guppy è stata pubblicata nel 1927. Sebbene fosse limitata ad alcuni loci legati al sesso che causavano variazioni nei tratti ornamentali (Winge 1927).
Esistono ampie prove genetiche che supportano un sistema di determinazione del sesso XY nel guppy. Suggerendo quindi che una regione limitata non ricombinante del cromosoma Y ospiti il locus che determina il sesso maschile sia in stretto legame genetico con geni ornamentali vantaggiosi per il maschio (Winge 1922a, b, 1927; Winge & Ditlevsen 1947; Haskins et al. 1970).
Gil studi precedenti
Alcuni studi successivi hanno anche mostrato la mappatura genetica di diversi modelli di colore sui cromosomi sessuali, utilizzando ceppi di guppy ornamentali (Khoo et al. 1999a – c). Sono state costruite mappe di linkage parziali aggiuntive per il genoma del guppy (Foo et al.1995; Khoo et al.2003) [..]Tuttavia, nessuno di queste mappe precedenti riproducevano il numero corretto di cromosomi aploidi del guppy, a causa di un numero insufficiente di marker.
Alcuni teleostei mostrano differenze nei tassi di ricombinazione tra i sessi. Una mappa di collegamento aploide androgenetico di Danio rerio è stata stimata a 1010 cM, ma una mappa ginogenetica a 2583 cM (Singer et al. 2002). Al contrario, Xiphophorus non mostra differenze specifiche per sesso nei tassi di ricombinazione (Kazianis et al. 2004a; Walter et al. 2004). La maggior parte degli studi precedenti non hanno rivelato differenze consistenti nei tassi di ricombinazione tra i sessi guppy (Khoo et al. 2003; Watanabe et al. 2004;Brummell et al. 2006). Sebbene un rapporto suggerisse una lunghezza maggiore nei maschi (Shen et al. 2007).
Lo studio
Riportiamo una mappa di linkage genetico dettagliata e completa per il guppy, con marcatori di polimorfismo a singolo nucleotide polimorfico (SNP) collegati a geni codificanti proteine espressi (tag di sequenza espressa, EST) o cloni genomici di cromosomi artificiali batterici (BAC).
I guppy maschi mostrano alti livelli di variabilità fenotipica e genetica per diversi tratti come dimensione, forma e colore. Questi tratti sono implicati nell’influenzare la scelta femminile, il successo dell’accoppiamento maschile e la loro suscettibilità alla predazione (Reznick & Endler 1982; Houde & Endler 1990; Endler 1995; Brooks & Endler 2001a; Hughes et al.2005; Lindholm et al.2005). Questi caratteri sessuali secondari sono importanti per la forma fisica maschile. Riportiamo previsioni di picchi QTL per tratti selezionati che mostrano variazioni nella progenie maschile in uno dei nostri incroci di mappatura.
Discussione dei risultati
Abbiamo riportato qui una mappa di linkage genetico del guppy. La mappa fornisce una base per ulteriori studi genetici sul legame sessuale dei geni vantaggiosi per il maschio, così come la variazione naturale dei QTL. Le informazioni sulla sintenia facilitano la selezione dei geni candidati durante la mappatura fine del QTL, poiché il genoma del guppy non è stato ancora sequenziato.
Sulla base di incroci che coinvolgono ceppi di guppy ornamentali, sono state stimate lunghezze variabili della mappa genetica (Khoo et al. 2003; Watanabe et al. 2005; Shen et al. 2007). La nostra mappa genetica ha una lunghezza di 899 cm, che è più corta rispetto a quella del medaka a 1354 cm (Naruse et al. 2000), o anche allo Xiphophorus strettamente correlato a 2486 cm (Kazianis et al. 2004a). Entrambe le specie hanno 24 cromosomi rispetto ad un set aploide di 23 nei guppy e un contenuto di DNA genomico stimato leggermente più alto (Cimino 1974; Lamatsch et al. 2000).
A causa dell’assenza di una mappa collegata a EST per il genoma del platy, non è stato possibile confrontare la sintenia tra i genomi di guppy e platyf. In uno studio comparativo con comuni marcatori micro-satellite, è stato anche riscontrato che il guppy ha tassi di ricombinazione inferiori rispetto a Xiphophorus, che appartiene alla stessa famiglia Poecilidae (Brummell et al. 2006). Una spiegazione per la lunghezza genetica relativamente breve di guppy potrebbe essere spiegata con le inversioni di sequenza tra le popolazioni Cumana ́ e Quare, a causa delle significative divergenze (Alexander & Breden 2004), che potrebbero comportare una ridotta frequenza di ricombinazione.
I test effettuati
Abbiamo testato i marcatori microsatelliti dai cromosomi sessuali del platy, oltre a un set di geni candidati selezionati dal cromosoma sessuale. Non abbiamo trovato alcuna prova del suo legame sessuale nel guppy. Sebbene dai dati presenti, sembra probabile che i loci che determinano il sesso in platy e guppy non siano omologhi, non possiamo dimostrarlo finché non avremo marcatori aggiuntivi dalla regione gonosomica divergente dei cromosomi sessuali guppy e più marcatori legati ai geni dal cromosoma sessuale di platy.
Quindi?
È probabile che la regione differenziata del cromosoma sessuale sia costituita da sequenze espanse ricche di eterocromatina. Quindi, a causa del divario tra gli ultimi marcatori mappati e il locus del sesso, non lo abbiamo incluso nelle stime della lunghezza del genoma. Pertanto, l’attuale lunghezza calcolata potrebbe essere una leggera sottostima.
I QTL multipli mappati in questo lavoro influenzano i tratti che contribuiscono alla variazione fenotipica dei maschi nelle due popolazioni di mappatura. Diversi QTL sono stati localizzati su LG12, indicando che i loci responsabili del policomorfismo visibile in termini di dimensioni, forma e modelli di colore sono allocati sul cromosoma sessuale. Ciò è in accordo con la precedente conoscenza del legame fisico dei principali loci del modello di colore con i cromosomi sessuali nel guppy (Winge 1927; Winge & Ditlevsen 1947; Haskins et al. 1970; Brooks & Endler 2001a; Lindholm & Breden 2002). Non crediamo che l’arricchimento per QTL rifletta un’eccezionale densità genica sul cromosoma sessuale, basata sull’estesa sintenia conservata della maggior parte del cromosoma sessuale guppy.
Marcatori del segmento Y
Sebbene non abbiamo ancora alcun marcatore dal segmento Y-specifico, a causa della ricombinazione soppressa tra i cromosomi X e Y, la ricombinazione ridotta facilita l’identificazione della mappatura QTL al sesso LG. Sfortunatamente, per lo stesso motivo, è difficile risolvere le posizioni precise del QTL legato al sesso. Sulla base dell’analisi visiva della loro segregazione, possiamo prevedere che alcuni alleli derivati dalla Cumana influenzano i tratti di colore quantitativi e siano in stretto collegamento con il locus del sesso. Non tutti questi sono stati mappati nella regione attesa nell’attuale analisi QTL, a causa dell’assenza di marker Y-linked.
I geni multipli rilevati per la maggior parte dei tratti mappati in questo studio riflettono probabilmente la natura complessa dei tratti. Indicando che la loro espressione finale può richiedere una serie di percorsi biologici e coinvolgere prodotti di molti geni. Inoltre, ci saranno indubbiamente loci aggiuntivi, poiché una singola croce di mappatura generalmente non segrega tutti i loci quantitativi che influenzano un dato tratto (Mackay 1996).
I risultati della mappatura MQM per tratti di forma selezionati e per aree con tratti di colore multipli suggeriscono che più QTL di minor effetto (punteggi LOD inferiori) e contribuiscono a ogni tratto di colore. Mentre un minor numero di QTL di grande effetto con punteggi di LOD più elevati può spiegare i tratti di forma selezionati.
Sintesi delle conclusioni
In sintesi, la mappa genetica del guppy consentirà un uso efficiente delle ampie informazioni genomiche disponibili per diversi pesci teleostei di riferimento. A lungo termine, aiuterà ad approfondire la nostra comprensione delle basi genetiche dell’evoluzione adattativa in questa specie e ad esplorare i processi che governano l’evoluzione dei genomi.
Tutti gli esperimenti sono stati eseguiti in accordo con le normative tedesche per la conservazione dei vertebrati inferiori in laboratorio (Regierungspra ̈sidium Tu ̈bingen).
Per approfondire la selezione sessuale del guppy
Fonti:
•Genetic linkage map of the guppy, Poecilia reticulata, and quantitative trait loci analysisof male size and colour variation (Namita Tripathi et al.)
