Descifran el genoma de las aves

IMPACTO
El árbol evolutivo de las aves
Neoaves
Gráfico: ©University of Illinois.
Descifran el genoma
de las aves
Un equipo internacional de 200 científicos decodifica el ADN de 45 especies de aves
distintas, representativas de todas las ramas actuales, lo que ofrece novedosas
perspectivas sobre su árbol evolutivo y la aparición de caracteres como las plumas,
el canto o la pérdida de dientes.
Pedro Cáceres, coordinador de Comunicación de SEO/BirdLife
“U
na bandada de
genomas”, “La
evolución a vista
de pájaro”, “¡Los
dinosaurios están
vivos!”... El pasado diciembre la
prensa mundial se inundaba de
titulares sobre la evolución de las
aves. La revista Science dedicaba
su portada y un despliegue
inusual de ocho artículos a lo que
muchos califican como un avance
Página 8 Nº 17 Aves y naturaleza · 2015
histórico, el mayor estudio genético
realizado sobre toda una clase de
vertebrados: las aves. Para ello un
equipo internacional de científicos
ha analizado el genoma completo
de 45 especies, representativas de
todas las ramas aviares modernas.
Los primeros hallazgos del Avian
Phylogenomics Consortium, que
ha movilizado a 200 investigadores
de 20 países, ofrecen una nueva
perspectiva sobre el árbol evolutivo
de las aves y
aportan claves
sobre aspectos
genéticos
relacionados
con el plumaje,
la adquisición del
canto, la evolución de los
cromosomas sexuales, la pérdida
de los dientes o la adaptación a los
ambientes acuáticos.
“Cuatro años de trabajo nos
han permitido responder cuestiones
fundamentales y a una escala sin
precedentes”, dice uno de los
líderes del proyecto, Guojie Zhang,
del Instituto de Genómica de Pekín.
“Es sólo el comienzo de una era
excitante”, afirma por su parte
Erich Jarvis, neurocientífico de la
Universidad de Duke y codirector del
Avian Phylogenomics Consortium.
Para Jarvis, la treintena de artículos
aparecidos en Science y otras
publicaciones como Genome Biology
y GigaScience han abierto un cajón
de tesoros que está a disposición
de la comunidad internacional para
seguir investigando
“Hasta ahora no había habido un
estudio que de forma deliberada
apuntara a toda la diversidad de un
gran grupo de vertebrados”, dice Tom
Gilbert, otro líder del proyecto. “Sólo
así se puede analizar de verdad toda
la diversidad genética de una clase
entera”, añade.
El árbol genealógico de las aves ha
confundido a los biólogos durante
siglos, pero ahora se puede aclarar
cómo divergieron las ramas más
primitivas y se aclaran dudas
sobre el ancestro común de aves,
cocodrilos y dinosaurios. Además
de secuenciar 45 genomas nuevos,
el equipo ha utilizado los de las tres
aves que habían sido analizados
hasta ahora y han añadido los de
tres especies de cocodrilos
“Cerca del 95% de las aves que
conocemos hoy pertenecen al grupo
Neoaves. Surgieron, al parecer, en
un periodo de unos pocos millones
de años. Y cuando muchas especies
aparecen en poco tiempo es más
difícil reconstruir las relaciones entre
ellas”, afirma Siavas Mirarab, de la
Universidad de Texas y coautor de
uno de los estudios en Science.
Pese a esas dificultades, existe
ahora la certeza de que hubo un big
bang evolutivo durante los 10-15
millones de años que siguieron a la
extinción de los dinosaurios, hace 65
millones de años.
La gran cantidad de nichos
ecológicos que quedaron libres
El caso de los pingüinos
Los pingüinos antárticos están sometidos a frío
extremo, vientos fuertes y cambios radicales en la luz
y han desarrollado sistemas fisiológicos complicados para
regular la temperatura y almacenar energía. El trabajo
ha encontrado la base genética de sus adaptaciones y
su historia evolutiva en respuesta a las variaciones del
clima. El pingüino de Adelia aumentó de población
hace unos 150.000 años cuando el clima se hizo
más cálido, pero más tarde declinó un 40% (hace
unos 60.000 años) durante un periodo glacial frío
y seco. En contraste, el pingüino emperador
ha permanecido estable, sugiriendo que está
mejor adaptado a las condiciones antárticas,
con rasgos, por ejemplo, como proteger sus
huevos del frío incubándolos en los pies.
Cocodrilos
Los cocodrilos son los
parientes vivos más
cercanos de las aves, y
comparten un ancestro
común que vivió hace 140
millones de años que dio
lugar a las aves a través de
los dinosaurios. La inclusión
de los cocodrilos en el estudio
ha permitido contrastar y reconstruir
parte del genoma del ancestro común
de los arqueosaurios, el grupo que incluye a los
cocodrilos, las aves y los dinosaurios extintos. Los investigadores
han descifrado el genoma y comparado tres especies de cocodrilos,
el caimán americano, el cocodrilo marino y el gavial indio.
Curiosamente, mientras que las aves evolucionaron rápidamente,
los cocodrilos lo han hecho lentamente. El ADN de organismos de
evolución lenta es una mina de oro para los investigadores porque
permite encontrar más cosas en la estructura genética.
El color del plumaje
¿Cuándo evolucionaron las plumas con color? Habitualmente
se entiende que el plumaje vistoso es una ventaja evolutiva,
que confiere a los ejemplares macho de una especie un valor
añadido respecto a sus competidores a la hora del cortejo. Un
estudio publicado en la revista BMC Evolutionary Biology y
con Guojie Zhang como autor principal asegura que los genes
relacionados con la coloración de las plumas evolucionaron
más rápido que otros genes en ocho de los 46 linajes de aves
existentes. Las aves acuáticas tienen el número más bajo
de genes relacionados con el color y el metabolismo de los
betacarotenos, unas moléculas coloreadas; las aves terrestres
tienen más del doble que las acuáticas.
Nº 17 Aves y naturaleza · 2015 Página 9
IMPACTO
Dos portadas
iguales
Curiosamente, el úlitmo
número de Aves y Naturaleza
y el de Science dedicado
al genoma de las aves
usaron la misma especie
para su portada, el hoatzin
(Opisthocomus hoazin).
permitió un rápido surgimiento de
especies. Esto contradice la idea
popular hasta ahora de que las
Neoaves florecieron entre 10 y 80
millones de años antes de la extinción
de los dinosaurios.
Hay también pruebas de que algunas
de las aves terrestres - un grupo que
incluye aves cantoras, loros, halcones,
búhos, carpinteros y águilas - tienen
un antepasado común que era un
superdepredador situado en lo alto de
la cadena trófica.
El proyecto ha sido capaz de
reconstruir las relaciones entre los
grandes grupos de aves modernas.
De las aves cuyos genomas han sido
analizados en este estudio, sólo cinco
no eran Neoaves. Las gallináces,
pavos y patos (Galliansares) ocupan
una rama separada del árbol de
las aves. Avestruces y Tinamúes
(Palaeognathae) emergen de otra
rama, la más antigua del árbol.
Otro de los descubrimientos es
que las aves tienen un genoma
sorprendentemente ligero. La mayoría
de los genomas de vertebrados
suelen portar un 50% de secuencias
repetidas, pero sin embargo las aves
apenas tienen un 5-10%, lo que hace
que su genoma tenga un tamaño
considerablemente menor.
“Es un hallazgo llamativo porque es
distinto de lo que se suele pensar
y es que la innovación proviene del
nuevo material genético, no de la
pérdida del mismo. A veces, menos
es más”, afirma el doctor Zhang.
Un genoma sencillo
Otro de los trabajos de Science
compara los genomas de las aves
actuales y los de vertebrados
dentados, lo que ha permitido
identificar mutaciones clave
en las partes del genoma que
codifican el esmalte y la dentina,
constituyentes esenciales de los
dientes. Al parecer, hubo cinco
genes relacionados con la dentición
que se desactivaron en el ancestro
común de las aves hace más de 100
millones de años.
El estudio añade evidencias a la
hipótesis de que algunos caracteres
han surgido de manera separada
en diferentes grupos de aves, de
manera que el parecido actual
es debido a una cuestión de
convergencia adaptativa y no de
herencia. Ocurre por ejemplo con
la capacidad de bucear utilizando
las patas y con el aprendizaje del
canto. Sobre este último, el proyecto
ha publicado hasta ocho artículos
distintos. Erich Jarvis afirma en uno
de ellos que el canto evolucionó dos
veces distintas o posiblemente tres
entre paseriformes, loros y colibríes.
Además, los genes relacionados
con el canto son parecidos a los
involucrados en la capacidad
humana de hablar. Hay un grupo de
50 genes que han experimentado
cambios tanto en las aves cantoras
como en el hombre y que no han
ocurrido en el resto de las aves ni en
los primates incapaces de vocalizar.
Esos genes tienen que ver con la
formación de nuevas conexiones
entre las neuronas del córtex motor
y las neuronas que controlan los
músculos que producen el sonido.
“Es un momento estimulante”, dice
Jarvis, “hay muchas cuestiones
que pueden resolverse. Entré en
este proyecto porque las aves
me interesaban como modelo
para saber más sobre el habla
en los humanos, y me ha abierto
perspectivas increíbles sobre la
evolución del cerebro”.
Nueve supercomputadores y el equivalente a 400 años de uso
de CPU se necesitaron para secuenciar el genoma de las 45
especies. Las muestras eran tejidos musculares congelados
en los últimos 30 años por distintos museos. El trabajo es
obra de The Avian Phylogenomics Group, compuesto por 200
investigadores de 80 instituciones de 20 países. Erich Jarvis,
neurocientífico de Duke es el codirector, junto a Guojie Zhang del
National Genebank en China y Tom Gilbert del Natural History
Museum de Dinamarca. En avian.genomics.cn. se está creando
una base de datos que estará accesible a otros investigadores.
Página 10 Nº 17 Aves y naturaleza · 2015
AAAS/Carla Schaffer
Un gran esfuerzo científico
internacional
Algunas de las aves analizadas en el estudio, fotografiadas en el
Museo Nacional de Historia Natural de Washington.