Aislamiento y caracterización de microsatélites a partir de la construcción de genotecas enriquecidas de Rana dalmatina Vanessa Sarasola Diciembre de 2007 ÍNDICE Introducción 2 Metodología 4 1. Extracción, purificación y estimación del ADN 4 2. Tamaño y pureza del ADN 5 3. Preparación del ADN genómico en un rango de tamaño de 300 a 700pb 5 4. Annealing y ligación de linkers 6 5. Amplificación por PCR del linker-DNA 6 6. Selección híbrida-enriquecimiento de la genoteca 7 7. PCR del ADN híbrido seleccionado 7 8. Eliminación de linkers 8 9. Ligación en el plásmido 8 10. Clonación y selección de plásmidos que contienen microsatélites 8 11. Rastreo (screening) 10 12. Secuenciación de los clones positivos 11 13. Análisis de los microsatélites obtenidos 11 Resultados y perspectivas 11 Bibliografía 13 Aislamiento de microsatélites a partir de genotecas enriquecidas de Rana dalmatina 1 Introducción La genética molecular tiene múltiples aplicaciones en la biología de la conservación, y de hecho la genética de la conservación ha emergido como una disciplina en sí misma. Sus objetivos principales son la comprensión de la relación entre la diversidad genética y la viabilidad de las poblaciones, y el conocimiento del tamaño efectivo de la población, parámetro crítico para mantener la diversidad genética. La habilidad de los organismos para adaptarse a los cambios ambientales (cambio climático, nuevos patógenos), llamada potencial evolutivo, está muy relacionada con la diversidad genética. Los marcadores moleculares son secuencias polimórficas de proteínas o de ADN que pueden ser utilizadas como indicadoras de la variación genética y nos pueden ayudar a responder preguntas en ecología que son difíciles de resolver de otra manera. Son fragmentos del genoma generalmente muy pequeños, que son tratados como loci, aunque no codifiquen para proteínas. El nivel de polimorfismo puede variar entre cero y cientos de alelos en una especie. La gran ventaja que tienen es que la variación en los marcadores puede ser cuantificada, lo que permite utilizar la estadística para hacer comparaciones. Hay distintos tipos de marcadores, cada uno con ventajas e inconvenientes (alozimas, RFLP, RAPD, minisatélites, microsatélites…), pero en los últimos años los microsatélites se han hecho muy populares para resolver muchos aspectos de la ecología molecular (González, 2003; Beebee & Rowe, 2004). Los microsatélites o SSRs (simple sequence repeats) son motivos repetidos de 1 a 6 nucleótidos encontrados en todos los genomas, tanto procariotas como eucariotas, analizados hasta el momento. Están presentes en regiones del genoma tanto codificantes como no codificantes, con mayor presencia en estas últimas, y presentan un alto grado de polimorfismo que los hace óptimos para utilizarlos como marcadores moleculares en estudios de mapeo de genomas, estudios forenses, o enfocados a la conservación, tales como: detección de posibles cuellos de botella, medidas del flujo génico e hibridación entre poblaciones, asignación de individuos a su población de origen o determinación de la estructura poblacional. Además son selectivamente neutrales y co-dominantes, y se puede trabajar con reducidas cantidades de ADN, sin que resulte necesario el sacrificio de los animales porque se pueden amplificar con la técnica de la PCR (González, 2003; Zane et al., 2002). Aislamiento de microsatélites a partir de genotecas enriquecidas de Rana dalmatina 2 El mayor inconveniente de los microsatélites es que necesitan ser aislados de novo en cada especie, debido a que se encuentran habitualmente en regiones no codificantes del genoma donde la tasa de sustitución de nucleótidos es muy alta, por lo que no existen primers o cebadores universales como en el ADN mitocondrial, lo que supone un elevado esfuerzo. Últimamente, y cada vez con mayor frecuencia, se intenta la amplificación cruzada con cebadores de una especie en otra distinta, obteniéndose en algunos casos resultados positivos (Schlötterer et al., 1991; González, 2003; Strecker, 2006). En el grupo de los anfibios su utilización es muy frecuente para realizar estudios poblacionales enfocados a la conservación (Rowe et al., 2000; Beebee & Rowe, 2001; Vos et al., 2001; González, 2003; Burns et al., 2004) y se han aislado en muchas especies (Brede et al., 2001; Wieczorek et al., 2002; Julian & King, 2003; Chan, 2007). Una genoteca, en sentido estricto, es una colección desordenada de clones de un microorganismo huésped en el que se introduce el genoma del microorganismo de interés en forma de trozos aleatorios. Cuando se habla de una genoteca enriquecida, esos trozos han sido seleccionados por alguna característica. En este caso, de búsqueda de microsatélites, se seleccionan determinadas secuencias de pares de bases que suelen formar parte de estos marcadores. Las poblaciones ibéricas de Rana dalmatina representan el límite de distribución suroccidental de esta especie y se hallan separadas del resto de poblaciones europeas por la frontera natural que suponen los Pirineos (Gosá, 2002). A nivel genético esta situación geográfica implica que son poblaciones cuyo intercambio de genes está dificultado por dicha barrera que restringe el flujo de animales, y por tanto genético, además de que el intercambio es unilateral, por lo que es más lento y la adaptación a condiciones locales (climáticas, de contaminación) puede quedar retardada, como consecuencia de una baja heterocigosidad. El estudio genético de las regiones SSR o microsatélites permitirá averiguar si el aislamiento físico al que pueden haber estado sometidas las poblaciones ibéricas de la especie ha desembocado en una diferenciación genética. Si el aislamiento es antiguo, consecuencia de cambios climatológicos pretéritos, como se supone, se espera encontrar una diferenciación genética elevada con respecto a las poblaciones europeas, al otro lado de los Pirineos, y una baja heterocigosidad. Dentro de la Península se repite el patrón de aislamiento de las poblaciones. A dicha escala las barreras que impiden la dispersión entre poblaciones suelen estar Aislamiento de microsatélites a partir de genotecas enriquecidas de Rana dalmatina 3 relacionadas con cambios de origen antrópico en los ecosistemas: infraestructuras lineales, urbanización, campos de cultivo, etc. El análisis genético con microsatélites permitirá conocer la estructura genética y el grado de fragmentación entre las poblaciones ibéricas. También se podrá cuantificar la variabilidad genética de las poblaciones. Estos parámetros poblacionales son decisivos para la supervivencia de las poblaciones y proporcionan una importantísima información a la hora de tomar medidas enfocadas a la conservación. Si la variabilidad genética de las poblaciones es baja significa que el proceso de aislamiento, aunque reciente, es importante y que puede existir una alta tasa de consanguinidad, pudiendo ser recomendables programas de reintroducción y restauración genética. La obtención de microsatélites, realizada entre abril y septiembre de 2007 en la Universidad de Sussex (Inglaterra) bajo la tutela del Dr. T. J. C., Beebee, es el primer paso, e ineludible, para desarrollar este proyecto enfocado a la conservación de la especie en las poblaciones Ibéricas. Metodología Hay distintas estrategias para la obtención de genotecas enriquecidas en microsatélites, documentadas por Zane et al. (2002). En la genoteca desarrollada para Rana dalmatina se ha seguido una combinación de algunas de ellas. Los pasos han sido: 1. Extracción, purificación y estimación del ADN Se obtuvo ADN de alta calidad siguiendo el protocolo estándar de extracción y purificación del fenol-cloroformo, a partir de cuatro larvas de Rana dalmatina procedentes de la cría en cautividad de huevos de las poblaciones ibéricas en el año 2004, y conservadas en alcohol de 96º. Se estimó la cantidad y pureza de los ácidos nucleicos en la preparación mediante espectrofotometría. Éstos, en disolución acuosa, presentan máximos de absorbancia en la región ultravioleta del espectro, a 260 nm, debido a la presencia de las bases nitrogenadas. Para calcular su concentración, una unidad de absorbancia (UA) corresponde aproximadamente a 50 μg/ml de ADN de cadena doble. Se utilizó el espectrofotómetro de UV UNICAM HELIOS. Aislamiento de microsatélites a partir de genotecas enriquecidas de Rana dalmatina 4 2. Tamaño y pureza del ADN La electroforesis es un método de laboratorio en el que se utiliza una corriente eléctrica controlada con la finalidad de separar biomoléculas según su tamaño y carga eléctrica, a través de una matriz gelatinosa. Se utilizó la electroforesis en gel de agarosa para identificar y purificar los fragmentos de ADN (figura 1). Como marcador se utilizó bromuro de etidio, sustancia que emite una luz roja-anaranjada que se intensifica unas 20 veces después de haberse unido al ADN, cuando se expone a la luz ultravioleta. Es una sustancia que se debe manipular con mucha precaución, porque tiene importantes efectos mutágenos y posiblemente cancerígenos. Figura 1. Tamaño y pureza del ADN obtenido. 3. Preparación del ADN genómico en un rango de tamaño de 300 a 700pb Las enzimas de restricción se han convertido en una herramienta básica de la ingeniería genética. Son endonucleasas que reconocen y cortan secuencias específicas en la doble hélice de ADN. Son extraídas de organismos procarióticos (bacterias), donde actúan como un mecanismo de defensa, para degradar material genético extraño que entra en la célula. Aislamiento de microsatélites a partir de genotecas enriquecidas de Rana dalmatina 5 En este caso, se utilizaron para obtener fragmentos de ADN con tamaños entre 300 y 700 pb, suficientemente grandes como para albergar los microsatélites, y suficientemente pequeños para manejarlos. El ADN genómico de Rana dalmatina fue digerido con la enzima de restricción Mbo I, que proviene de la bacteria Moraxela bovis, causante de conjuntivitis en el ganado vacuno. Produce el corte en la siguiente secuencia: 5´…▼GATC..…3´ 3´…..CTAG▲…5´ Y es isosquizómero de la enzima Sau 3A1 (procedente de Staphylococcus aureus), es decir, reconoce y digiere la misma secuencia de ADN y además rompe en el mismo sitio de la secuencia, por lo que ambas enzimas generan extremos compatibles. Los fragmentos de 300 a 700 pb fueron seleccionados y purificados a partir del gel de agarosa en que se corrió la muestra junto con un marcador de 100 pb. 4. Annealing y ligación de linkers Los linkers son oligonucleótidos sintéticos autocomplementarios, que tienen secuencias de reconocimiento de las endonucleasas y para los que existen cebadores para la PCR. Forman enlaces fosfodiéster fácilmente con las moléculas de ADN. Se ligaron los linkers SaulA y SaulB a los fragmentos de ADN cortados, utilizando para ello la enzima T4 DNA ligasa. SaulA: 5′-GCGGTACCCGGGAAGCTTGG-3′ SaulB: 5′-GATCCCAAGCTTCCCGGGTACCGC-3′ 5. Amplificación por PCR del linker-DNA La reacción en cadena de la polimerasa (PCR) es una técnica de biología molecular que ha permitido un gran avance en los estudios, ya que permite la obtención de grandes cantidades de ADN a partir de una pequeña muestra. Emplea ciclos de altas y bajas temperaturas para desnaturalizar las hebras de ADN y dejar que las DNA polimerasas las repliquen a partir de los cebadores o primers. Para ello se utiliza un aparato llamado termociclador. Aislamiento de microsatélites a partir de genotecas enriquecidas de Rana dalmatina 6 Utilizando primers específicos para la secuencia de los linkers, se amplificaron los fragmentos de ADN de Rana dalmatina obtenidos. 6. Selección híbrida-enriquecimiento de la genoteca Consiste en dirigir la genoteca hacia la búsqueda de microsatélites. Se realizaron dos genotecas enriquecidas siguiendo la misma metodología. En primer lugar se buscaron microsatélites formados por una secuencia repetida de dinucleótidos, que se ha comprobado en otras especies que es muy polimórfica. El resultado de esta búsqueda no fue muy fructuoso y la cantidad de secuencias obtenidas fue baja, por lo que se optó en buscar otro tipo de microsatélites (dinucleótidos y tetranucleótidos) para obtener una cantidad adecuada y suficiente de secuencias polimórficas. Se utilizaron las propiedades de la estreptavidina y de las bolitas paramagnéticas para separar secuencias de ADN de interés. La primera es una proteína que presenta una extrema afinidad por la biotina y con la que se pueden recubrir las bolitas paramagnéticas. Se fabricaron oligonucleótidos con la secuencia de los microsatélites de interés y se marcaron con una cola de biotina en el extremo 3´, para utilizarlos como sondas de captura de los fragmentos de ADN de Rana dalmatina con la secuencia complementaria. Estas sondas se unen fuertemente a la estreptavidina, que se encuentra recubriendo bolitas paramagnéticas. Tras realizar la hibridación con el ADN genómico y la captura de los microsatélites complementarios, se separaron las bolitas utilizando un imán (vibrating simple magnetometer). De esta manera se recuperaron los fragmentos de ADN que nos interesaban utilizando HCl y calor para separarlos de las sondas. Así, se buscaron los microsatélites con la secuencia GT/AC en la primera genoteca y AG/CT, TATC/GATA y GACA/TGTC) en la segunda. 7. PCR del ADN híbrido seleccionado Los fragmentos recuperados se usaron como molde para una nueva amplificación, utilizando de nuevo la técnica de la reacción en cadena de las polimerasas. Aislamiento de microsatélites a partir de genotecas enriquecidas de Rana dalmatina 7 8. Eliminación de linkers Para eliminar los linkers se utilizó de nuevo una enzima de restricción. Los linkers tienen además de secuencias que posibilitan la amplificación en la PCR, secuencias de reconocimiento para enzimas de restricción, en este caso para la enzima Mbo 1. De esta forma se recuperaron los fragmentos del ADN original, precipitándolo con etanol y centrifugándolo. 9. Ligación en el plásmido Los plásmidos son fragmentos de ADN extracromosómico presentes en bacterias, que se utilizan en ingeniería genética por su capacidad de reproducirse de manera independiente del ADN cromosomal, y porque es relativamente fácil manipularlos e insertar en ellos nuevas secuencias genéticas. Para ligar los fragmentos seleccionados en el plásmido, se digirieron los plásmidos pUC19 con la enzima de restricción Sau 3A1, la cual genera extremos cohesivos en el plásmido, compatibles con los extremos generados en los fragmentos del ADN seleccionado tras la digestión con Mbo1. Se incubaron ambos productos con la enzima T4 DNA ligasa en las condiciones apropiadas y así se obtuvieron los plásmidos hibridados, relativamente fáciles de replicar in vivo. 10. Clonación y selección de plásmidos que contienen microsatélites La clonación permite una amplificación de los fragmentos de ADN in vivo y de forma inespecífica. Se utilizó un plásmido que insertó los fragmentos de ADN y se incluyó en células competentes que replican dichos fragmentos. Las células competentes son bacterias tratadas con iones de calcio y choques de temperatura para alterar las envueltas, sobre todo la membrana externa, y aumentar su permeabilidad al ADN foráneo, como son los plásmidos, que entran en la célula como moléculas de cadena doble. El plásmido utilizado fue pUC19, un plásmido pequeño (tamaño 2686pb), procedente de Escherichia coli (figura 2). En su secuencia destacan dos genes que actúan como marcadores de selección. Un gen de resistencia al antibiótico ampicilina Aislamiento de microsatélites a partir de genotecas enriquecidas de Rana dalmatina 8 (gen AmpR), que confiere a las bacterias que incorporan este plásmido resistencia a dicho antibiótico. Y el gen LacZ, que codifica para la enzima β-galactosidasa, la cual degrada la lactosa y otros β-galactósidos como el X-gal, permitiendo la selección por el método White/Blue. Se transformaron células de Escherichia coli competentes DH5α con el plásmido pUC19, con los insertos de ADN de Rana dalmatina, para que los vectores recombinantes se multiplicaran. Una vez transformado el cultivo bacteriano se seleccionaron las bacterias que habían insertado el plásmido recombinante. El método de White/Blue es usado a menudo en ingeniería genética; está basado en la expresión del Operón Lac y sirve para reconocer las bacterias recombinantes. Consiste en utilizar los reactivos IPTG (isopropil-β-D-tiogalactósido), un inductor artificial del gen lacZ y X-gal, un galactósido artificial. Las colonias que han insertado el plásmido sin inserto tienen un aspecto azul por la degradación del X-gal. Si el gen lacZ es inactivado por la presencia del inserto, las colonias son de color blanco. Además el medio de cultivo tenía ampicilina (antibiótico de selección), por lo que las células que no insertaron el plásmido no podían crecer. Figura 2. Mapa de restricción del plásmido pUC 19 (obtenido de Fermentas Life Science). Aislamiento de microsatélites a partir de genotecas enriquecidas de Rana dalmatina 9 11. Rastreo (screening) El conjunto de todos los clones, cada uno con un fragmento distinto del genoma de Rana dalmatina, constituye la genoteca. El rastreo (screening) de ésta nos permitió encontrar y aislar los clones de interés, que contienen los microsatélites. Un elemento clave para identificar cualquier secuencia son las sondas: fragmentos de ADN clonados que contienen parte de la secuencia que estamos buscando. Éstas se marcan, usualmente con isótopos radioactivos, aunque también existen procedimientos no radioactivos, para luego poder encontrarlas cuando hayan hibridado con el fragmento de interés. Es una segunda selección de los microsatélites utilizando sondas con las secuencias bi y tetranucleótidos antes seleccionadas (GT/AC, AG/CT y TATC/GATA), y polimerasa. A la hora de realizar la hibridación se escogieron condiciones más o menos relajadas para que se formaran los heterodúplex aunque la homología no fuera completa, que permitiera cierto porcentaje de malos emparejamientos entre la sonda y el ADN diana. Para ello, las colonias se incubaron en membranas neutras de nylon con capacidad de fijación de los ácidos nucleicos (Hybond-N membrane), sobre medio de cultivo sólido (LB, agar y ampicilina). Previamente, estas colonias habían sido seleccionadas y recogidas una a una en placas de 96 celdillas. Las células de las colonias se lisaron in situ con un tratamiento suave utilizando detergente, que disuelve la membrana de las células y diluye las proteínas cubriéndolas de cargas negativas. El ADN se desnaturaliza y se fija a las membranas mediante altas temperaturas. En medio líquido (solución de hibridación) se mezclaron las membranas con el ADN fragmentado y desnaturalizado de Rana dalmatina, y las sondas marcadas con radioactividad y desnaturalizadas para que se produjera la hibridación. Si el ADN sonda tiene algún grado de homología con el de algunos clones, se empareja para generar la doble hélice. Luego se lavaron las membranas para eliminar el exceso de sonda radioactiva y el resto de ADN no hibridado, y se secaron. Finalmente, revelamos el resultado. Se pusieron los filtros en contacto con una película de rayos X y al cabo de unas horas o días, la película se reveló. Las colonias que habían hibridado quedaron marcadas como unos puntos negros que nos indicaban su posición. Por último, se volvió a las placas matrices, donde estaban las Aislamiento de microsatélites a partir de genotecas enriquecidas de Rana dalmatina 10 colonias con las células vivas, y se recuperaron los clones que habían insertado los microsatélites. 12. Secuenciación de los clones positivos Los clones positivos se mandaron a secuenciar en una empresa especializada. Se diseñaron los primers con un programa informático llamado PRIMER3, que también proporciona las condiciones óptimas de amplificación en el termociclador, aunque había que revisarlas y algunas veces cambiarlas porque las temperaturas en la PCR no eran las adecuadas. 13. Análisis de los microsatélites obtenidos Utilizando el protocolo del fenol-cloroformo de nuevo, purificamos ADN de 10 individuos procedentes de tres poblaciones de la península Ibérica, aisladas entre ellas: 4 de los robledales de la sierra de Izki (Álava), 3 del valle de Ultzama (Navarra) y 3 de Amurrio (Álava). Con estas muestras fueron probados los microsatélites aislados y los primers diseñados para amplificarlos. Después de la amplificación, utilizando nucleótidos sonda marcados con radioactividad, las muestras se corrieron mediante electroforesis en geles de poliacrilamida, donde se pudo comprobar si los microsatélites eran mono o polimórficos en las poblaciones seleccionadas. Estos primeros muestreos se hacen para determinar si los microsatélites son polimórficos en las poblaciones ibéricas. Como únicamente utilizamos 10 individuos, cuando había más de un alelo, definimos el microsatélite como polimórfico. Cuando se estudia una población de 20-100 individuos, los microsatélites se consideran altamente polimórficos cuando se encuentran 8 alelos. Resultados y perspectivas En total fueron secuenciados 20 microsatélites, y diseñados y construidos primers para todos ellos. El ADN procedente de 10 animales de la península Ibérica fue amplificado con todos ellos para comprobar su mono o heteromorfismo. Además se testó un microsatélite de Rana latastei y tres de R. temporaria. En ocho ocasiones Aislamiento de microsatélites a partir de genotecas enriquecidas de Rana dalmatina 11 se tuvo que repetir el diseño de los primers porque no amplificaron en el termociclador. Los resultados obtenidos fueron (tabla I): Microsatélite Monomórfico Polimórfico Rtemp1 X Rtemp5 X Rtemp9 X RlatCa17 X Rdal-1 X Rdal-2 X Rdal-3 Rdal-4 X X Rdal-5 X Rdal-6 X Rdal-7 X Rdal-8 X Rdal-9 X Rdal-10 X Rdal-11 X Rdal-12 X Rdal-13 X Rdal-14 X Rdal-15 X Rdal-16 X Rdal-17 X Rdal-18 X Rdal-19 X Rdal-20 X Tabla I. Carácter de los microsatélites obtenidos, en las poblaciones ibéricas. Las poblaciones definidas como “grupo de individuos de la misma especie aislados reproductivamente de otros grupos” están sujetas a cambios evolutivos, entre los que se encuentran los cambios genéticos. Éstos pueden actuar disminuyendo la variabilidad de las poblaciones (selección, deriva genética) o aumentándola (mutación, Aislamiento de microsatélites a partir de genotecas enriquecidas de Rana dalmatina 12 migración). La pérdida de variabilidad genética disminuye la eficacia biológica de las especies ante los cambios ambientales. A pesar de que la mayor parte de los microsatélites obtenidos son monomórficos en las poblaciones ibéricas, hay ocho que son polimórficos. Este número se considera adecuado y suficiente para realizar los estudios poblacionales previstos, describir la variabilidad y distribución biológica. Los microsatélites se amplificarán en un gran número de individuos de diferentes poblaciones para comprobar el número de alelos existente en cada uno de ellos. Las frecuencias de los alelos de ocho microsatélites son suficientes para realizar los análisis estadísticos y poblacionales propuestos: cuantificar la variabilidad genética (heterocigosidad) de las poblaciones ibéricas, conocer su estructura genética y comprobar si están siendo afectadas por problemas como la endogamia, especialmente la de las más amenazadas, cuya gestión debe acometerse a corto plazo, y valorar el flujo génico existente entre poblaciones y grupos de poblaciones, parámetro muy importante en estudios enfocados a la conservación ya que en hábitats fragmentados, como es el caso de la población ibérica, no se pueden producir las recolonizaciones habituales, el flujo génico se ve interrumpido, los efectos genéticos pueden afectar al precario estado de la especie y tal vez sea necesario diseñar programas de restauración genética. El conocimiento de todos estos parámetros es básico para acometer los planes de conservación de la especie en la península Ibérica. 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Aislamiento de microsatélites a partir de genotecas enriquecidas de Rana dalmatina 14