El estudio del genoma, clave para comprender la evolución de las aves

Secuenciando el genoma de 48 especies representativas de aves, un consorcio internacional ha presentado el árbol filogenético de las aves modernas, ofreciendo una nueva visión sobre su origen evolutivo y diversificación.

El proyecto, en el que han participado más de 200 científicos de 80 instituciones repartidas en 20 países, entre ellos científicos del Centro de Regulación Genómica (CRG) de Barcelona y de la Universidad Pompeu Fabra, arroja luz a algunas incógnitas en cuanto a la evolución de las aves. Entre otros avances, define el árbol familiar de las aves y explica la evolución de su genoma; determina la función del canto y el momento en que apareció en las diferentes familias, identifica cuándo perdieron los dientes, estudia la relación entre los genomas de las aves y otros reptiles como los cocodrilos y presenta el origen de los cromosomas sexuales en este grupo; además, propone un nuevo método para el estudio filogenético basado en datos secuenciación genómica masiva. La idea es que las especies estudiadas, donde podemos encontrar cuervos, patos, halcones, periquitos, grúas, ibis, pájaros carpinteros y águilas, representen las principales familias de aves modernas. Los primeros resultados de este estudio se publican simultáneamente en 8 artículos en la revista Science y en 15 artículos más en otras revistas científicas como Genome BiologyGigaScience.

La genómica, una herramienta clave para establecer nuevos árboles familiares y explicar la evolución.

Hasta ahora, los estudios filogenéticos sobre la evolución de las aves se basaban en el examen de conjuntos de genes concretos relacionados con características anatómicas o con el comportamiento de estos animales. Sin embargo, para este proyecto se ha comparado el genoma al completo de las especies más representativas, pudiéndose, así, reconstruir el árbol filogenético de las aves con mucho más detalle. De esta forma, se han establecido las relaciones de parentesco entre grupos y el momento en que estos divergieron durante la evolución.

Algunas de las especies de aves analizadas para el estudio genómico comparativo descansan en una mesa en el Museo Nacional de Historia Natural en Washington, DC. (Foto: AAAS-Carla Schaffer)

A tenor de los resultados se sabe que las aves presentan escasas repeticiones en el ADN y que desde los primeros inicios de su aparición perdieron cientos de genes que en el pasado habrían compartido con nosotros, como aquellos genes implicados en funciones como la reproducción, la formación del esqueleto o los pulmones. Esto explicaría por qué las aves controlan ahora estos aspectos desde otra aproximación, presentando un esqueleto más ligero, un sistema respiratorio tan particular, una gran variedad de especialidades en la dieta y muchos otros rasgos característicos diferentes a los mamíferos.

Principales resultados

Gracias a este proyecto se conocen nuevos aspectos de la biología de las aves, desde la neurofisiología hasta la genética de poblaciones. Así, paralelismos entre los patrones de actividad genética en las áreas del cerebro involucradas en el canto de las aves y en el habla humana han sido descubiertos. Factores como el aprendizaje vocal, es decir, la capacidad para emitir sonidos, modificar el tono y reproducir un sonido por imitación, evolucionó de forma independiente, como mínimo, en dos ocasiones. Los circuitos cerebrales para el aprendizaje musical y vocal en aves y en humanos son similares, pero se ha llegado a ellos por vías diferentes en la evolución. Algunos trabajos publicados en el marco de este proyecto indican que la mayoría de los genes relacionados con el aprendizaje vocal están implicados en la formación de conexiones neuronales.

También se ha establecido el momento en que las aves perdieron los dientes. En uno de los trabajos publicados los científicos han comparado los pájaros actuales con especies de vertebrados y han constatado que los pájaros presentaban mutaciones en grupos de genes que codifican para el esmalte y la dentina. Cinco de estos genes relacionados con la formación de dientes se habrían inhabilitado hace más de 100 millones de años, en algún antepasado de las aves modernas.

Los datos también indican una explosión en la diversidad del grupo entre 67 millones y 50 millones de años atrás, cuando se cree que los dinosaurios no avianos se extinguieron a causa del impacto de un asteroide. Fue por aquel entonces cuando los mamíferos también habrían proliferando, aprovechándose ambos grupos del nicho ecológico desocupado por los dinosaurios.

Aves y demás parientes

Además, el proyecto también ha secuenciado los genomas de los reptiles actuales más cercanos a las aves, los cocodrilos, una tarea en la que ha participado el CRG. Así, al compararlos con los genomas de las aves se podido reconstruir parcialmente el que sería el genoma del ancestro común de los arcosaurios, lo que constituye una herramienta muy valiosa para el estudio del origen los cocodrilos, las aves y los dinosaurios.

La secuenciación de tres especies diferentes de cocodrilos nos sirve para contextualizar el trabajo del estudio genómico de las aves que ahora presentamos. Los datos que hemos estudiado nos demuestran que los cocodrilos han evolucionado relativamente poco y que, por tanto, son un reflejo bastante fiable de sus antepasados.“, explica Toni Gabaldón, profesor investigador ICREA en el CRG y uno de los coautores del papel publicado en Science sobre los genomas de cocodrilos. “Asimismo, el hecho de compararlo con los genomas de las aves nos ha permitido reconstruir parcialmente el que sería el genoma del ancestro común de los arcosaurios, y por tanto, una herramienta muy valiosa para el estudio del origen los cocodrilos, las aves y los dinosaurios.“, añade el Dr. Gabaldón. “La diversificación rápida de las aves en muchos grupos visiblemente diferentes contrasta con la estabilidad e inmovilidad de los cocodrilos que se han mantenido prácticamente iguales después de muchos años de evolución. Esto nos muestra cuán relativa es la velocidad evolutiva en grupos diferentes y de cómo la oportunidad de diversificación para ocupar nuevos nichos ecológicos genera diversidad morfológica y especiación muy rápidamente.“, concluye el investigador.

Por último, indicar que este trabajo ha supuesto todo un reto a diferentes niveles. Se han analizado muestras de tejido congelado y recolectado en los últimos 30 años provenientes de museos y otras instituciones. Se ha separado el ADN en la Universidad de Duke y en la Universidad de Copenhague. La mayoría de la secuenciación genómica y los primeros análisis se han llevado a cabo en el BGI de China y el estudio filogenómico de estos datos se ha compartido entre más de 80 instituciones en el mundo.

Para más información visitar Science y la página del proyecto Avian Phylogenomics Project.

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