Herramienta genética, genómica y morfología geométrica aplicada

La genética y los recursos pesqueros: estudio de caso Bacalao Bacalao
Dra. Paola Acuña
¿Que es la genética?: rama de la biología
Estructura
que los genes y los mecanismos que
regulan la transmisión de los caracteres
hereditarios.
¿Que es el ADN y para que sirve?
-ADN ácido desoxirribonucleico.
-Molécula que lleva la información genética
utilizada por una célula para la creación de
proteínas.
-El ADN contiene las instrucciones genéticas
usadas en el desarrollo y funcionamiento de
todos los organismos vivos conocidos.
-La función principal de las moléculas de
ADN es el almacenamiento a largo plazo de
la información genética.
¿De que esta formado el ADN?
De un azúcar, nucleótido (base nitrogenada y
un fofato)
¿Dónde se encuentra?
EL ADN se encuentra en el núcleo de cada una
de las células eucariotas que forman un
organismos compactado en los cromosomas.
Genética y ADN
de ADN nuclear
¿Pero como saben las células lo que deben hacer para formar
un organismo completo y funcional?
Los organismos eucariota, (hombre, el bacalao o la
centolla) todas las células de su cuerpo o
“somáticas” presentan la misma información
genética –no así las células germinales, óvulos y
espermatozoides, que presentan sólo la mitad de
ella-.
Por medio de la reproducción sexuada de los
individuos esa información es permanentemente
reordenada y transmitida a los descendientes.
La célula es la unidad anatómica funcional de la vida
ADN nuclear
ADN mitocondrial
Núcleo
Mitocondria
2
100-1000
50% paterna
50% materna
100% materna
Lineal
Circular
Número de nucleótidos
3.000.000
16.569
Entrega de información
Reciente
Pasada
̴0,3%
̴3%
Localización
N° de copias por célula
Herencia
Estructura de ADN
Tasa de mutación
Diferencias entre el ADN nuclear y mitocondrial (ADNmt)
Gen es un segmento de ADN codificante, es decir, al ser “leído“
entrega un producto.
El genoma
mitocondrial
contiene 37 genes
que participan en
la fosforilación
oxidativa, proceso
metabólico que da
energía a la célula.
El genoma nuclear a diferencia
se compone de 20.000 a
25.000 genes que participan
en infinidades de procesos
para llevar a cabo el
funcionamiento
de
un
organismo.
Si bien lo más famoso del genoma son los genes, es decir, aquellas regiones del
genoma que contienen el código para formar proteínas o secuencias de RNA, no es
lo único que podemos encontrar en el genoma, también existen otros elementos
genéticos, como las regiones regulatorias, que se encuentran en la vecindad de los
genes, y cuya función radica en regular la participación de un gen en toda la vida de
un organismo.
Herencia Genética
Todos nos hemos preguntado como se define el color de nuestros ojos, bueno este y otros rasgos, son
heredados de nuestros padres ya que la herencia radica en la información contenida en el ADN que se
transmite a los hijos.
Heredamos de nuestros padres dos juegos de cromosomas.
Cada par de cromosomas contiene para cada carácter una
pareja de genes en posiciones iguales.
Estos dos genes que portan la información para la misma
característica se denominan alelos.
Los alelos no necesariamente portan la misma información.
Genética de poblaciones
Tiene como principal objetivo conocer la variabilidad
dentro de las especies e identificar cuál es la causa de
esta variación.
Variabilidad genética
Diferencias en el material genético de una población o
especie.
Los individuos de la misma especie comparten ciertas
características pero no son idénticos.
Principales fuentes de variación:
recombinación (reproducción sexual)
mutación
y
Población
• Menor variabilidad genética
Población
• Mayor variabilidad genética
• Mayor probabilidad de sobrevivir
a cambios en el ambiente o
adversidades.
Conociendo la variabilidad genética podemos Inferir sobre
estructura genética de la población.
• Estructura genética: Distribución de la variabilidad
genética dentro y entre las poblaciones.
Definición de Stock
 Grupo de organismos que tienen una área de desove común,
a la cual los adultos retornan cada año (Cushing 1968).
 Población de organismos que comparten un pool de genes y
es suficientemente discreta para ser considerada como un sistema
autoperpetuante que puede ser manejado (Larking 1972).
 Grupo intra-especifico de organismos que se aparean aleatoriamente
con integridad espacial y temporal (Idssen y col, 1981).
 Grupo de organismos de una especie que tienen los mismos
indicadores de mortalidad y características fisiológicas y habitan en
una área especifica (Sparre y col 1989).
Definiendo stocks genéticos
• Grupo de individuos de la misma
especie que se reproducen al azar y
comparten una misma área.
• g
• Cada uno de estos grupos se
reproduce de forma aislada.
• Los individuos de un stock
comparten haplotipos que difieren
de otro stock. Pero también pueden
haber zonas de mezcla.
• Por lo tanto cada
stock genético es
distinto de otro y se
espera tenga un
manejo pesquero
específico.
¿Cómo analizamos diferencias poblacionales?
• Análisis morfológica geométrica
• Análisis genéticos:
 Microsatélites
 ADN mitocondrial
Análisis genéticos: microsatélites y ANDmt
• Las diferencias poblacionales también se pueden analizar utilizando marcadores moleculares. Estos son segmentos de
ADN con una ubicación física identificable en un cromosoma.
Alto poder de resolución
ADNmt
Fácilmente reproducibles
ADNn
Sensibles para discriminar entre
individuos muy relacionados
Detectables en cualquier etapa del
desarrollo y época del año
Altamente variables y distribuidos en
todo el genoma
Definiendo stocks mediante marcadores moleculares
ADNmt
•
•
•
•
•
•
•
Información de flujo genético histórico. Historia evolutiva ¡¡
Genes fundadores
Estructura de poblaciones
Conocer el pool genético (Base para acuicultura)
Filogenia de las especies ligados al linaje materno.
Denominación de origen, identificación geográfica
Trazabilidad
• Información de flujo genético reciente, migración de las
poblaciones (frecuencias alélicas, deriva génica y flujo
genético).
• Alta variabilidad.
• Estudios de variación genética dentro y entre las especies
• Definir unidades de manejo (stocks). Determinar el origen de
individuos. Estimación tamaño efectivo poblacional (Ne).
Microsatélites
¿Qué es el tamaño efectivo de población (Ne) y para qué sirve
conocerlo?
Es un parámetro clave en conservación y genética de poblaciones por su relación inversa con los incrementos de
consanguinidad, las pérdidas de variabilidad genética debidas a deriva genética y sus posibilidades de adaptación a cambios
ambientales.
Deriva génica
TIEMPO
La deriva génica es el azar actuando sobre las frecuencias alélicas presentes en la población, tiene mayor
impacto si el tamaño de la población es pequeño, en este caso se perderán con mayor rapidez los alelos
menos representados en la población.
¿Qué es el tamaño efectivo de población (Ne) y para qué
sirve conocerlo?
Cuando las poblaciones disminuyen o están a punto de
desaparecer se dice que pasan por un cuello de botella
genético. Las generaciones posteriores tendrán
solamente el ADN de algunos de los individuos
sobrevivientes.
Si el acervo genético de los progenitores es menos
diversificado que el que existía en la población original,
las generaciones subsecuentes tendrán un déficit en la
diversidad genética.
Otros factores que determinan el Ne
Varios factores adicionales determinan el Ne:
• Proporción de sexos: Ne disminuye por
desviaciones de una proporción igual de sexos.
• Número desigual de la progenie: En una
población ideal la progenie debería ser uniforme
entre las diferentes familias. Si la progenie de unas
pocas familias es mucho mayor, Ne disminuirá.
• Cautiverio con fines de conservación o cultivo: Se
debe tener cuidado de estos efectos y mantener
un Ne tal que mantenga la salud y adaptación de
sus stocks.
Algunos alelos con muy bajas frecuencias en las poblaciones
naturales (muy propensos a que se pierdan durante un cuello de
botella) pueden ser muy importantes. Tales alelos pueden
significar la diferencia entre la supervivencia y la extinción.
Es probable que pase lo mismo con los genes de resistencia en
general. Por ello, parecería que las poblaciones de peces que
sufran un cuello de botella puedan no ser afectadas
notoriamente, hasta que una epidemia afecte a la población. Sólo
entonces la pérdida de estos genes de resistencia sería
detectable.
Acuicultura
La acuicultura es la técnica que permite aumentar la producción de animales y plantas acuáticas para
consumo humano, por medio de cierto control de los organismos y de su medio ambiente. Surge de la
necesidad de dar solución a los efectos de la sobrepesca.
Tipos de acuicultura:
• Obtención de peces u otros animales en criaderos para soltarlos en el mar o en agua dulce, con objeto de
que sean capturados cuando alcancen el tamaño comercial.
• Captura de juveniles silvestres, su cautiverio y cuidado. En algunos casos, se han creado pesquerías
especiales para mantener en cautiverio a organismos juveniles.
• Cría de juveniles de huevos obtenidos de poblaciones silvestres, retenidos y alimentados en corrales hasta
que alcanzan el tamaño comercial.
• El cultivo de ostiones, mejillones y otros moluscos forma un tipo especial de actividad que se realiza en
aguas costeras y estuarinas.
• Eclosión de huevos, la cría de juveniles en estanques u otros corrales hasta que alcanzan el tamaño
comercial, y el mantenimiento de los pie de cría.
Acuicultura
Existen cerca de 567 especies acuáticas
que se cultivan actualmente en todo el
mundo, lo que representa una enorme
riqueza de diversidad genética dentro y
entre las especies
Ejemplo de cultivo:
Entre las o soluciones planteadas para subsanar la sobrepesca se encuentra el repoblamiento pero sin una correcta
orientación genética y reproductiva de los lotes utilizados en estos programas, poblaciones naturales de peces y el
ecosistema pueden ser afectados.
El repoblamiento: es el proceso y el resultado de poblar nuevamente algo.
Puede utilizarse para nombrar el proceso de plantar otra vez especies que antes formaban parte de un terreno y
ahora no.
La repoblación marina para reponer poblaciones naturales ha sido criticado principalmente por ocasionar la
pérdida de diversidad genética natural y no siempre tiene los resultados favorables esperados.
Un ejemplo de ello es la constante reducción de las poblaciones de bacalao del Atlántico. A pesar de que América
del Norte y Noruega han liberado millones de ejemplares para el repoblamiento.
Sin embargo hay que tomar en cuenta que este proceso no se realizó de forma adecuada.
El aumento de la producción en la Acuicultura siempre ha implicado el desarrollo o la transferencia de
tecnologías de manejo de las especies de peces que implican la producción de semilla y su traslado hasta los
lugares de crecimiento o ceba.
Las diversas formas de explotación pesquera empleadas actualmente en el mundo pueden ser agrupadas en tres
tipos fundamentales, cultivo extensivo, en el que la semilla es sembrada directamente al medio natural y su
sustento depende exclusivamente del ambiente sin intervención del hombre, el cultivo semi-intensivo, en el cual
se siembran en medianos y pequeños embalses pero el hombre interactúa mediante la fertilización o el
suministro de cantidades limitadas de alimento para mejorar las condiciones naturales, y por último el cultivo
intensivo, en el que el hombre crea ambientes totalmente artificiales en el cual los peces dependen para su
sustento exclusivamente del alimento artificial.
La forma primordial de aumentar la producción pesquera en los países emergentes ha sido mediante el
mejoramiento de las técnicas tradicionales de explotación de embalses y ríos mediante el cultivo extensivo.
Principal aplicación de la genética en la acuicultura.
La genética en la acuicultura permite la selección de
reproductores con características de interés, para la
obtención de progenie de alta calidad mediante programa de
mejoramiento genético
Los individuos destinados a formar el stock inicial de reproductores de una
planta de acuicultura suelen ser obtenidos en la naturaleza. Es imprescindible
desarrollar herramientas moleculares que permitan conocer la diversidad y
las relaciones de parentesco entre todos los individuos del stock, ya que los
planes de selección familiar se basan en la explotación de la diversidad
genética existente dentro y entre familias para obtener la mayor ganancia por
generación. Para ello, se diseñan los cruzamientos entre los reproductores
atendiendo a su valor o caracteristica mejorante y evitando siempre los
efectos perniciosos de los cruzamientos consanguíneos.
La genómica ha supuesto un avance revolucionario en este
conocimiento y pone a disposición los marcadores genéticos
asociados a los caracteres de interés comercial.
La selección asistida por marcadores permite
una mayor eficiencia en el proceso de
selección que la basada exclusivamente en el
parentesco y fenotipo de los individuos.
Analizando estos marcadores en los individuos del stock se pueden
identificar los reproductores que tengan en su ADN la
potencialidad de responder mejor en el proceso de selección.
Estudios Morfológicos
Una de las aproximaciones relevantes para esclarecer la clasificación de especies es la morfometría, que estudia
la variación de la forma de los organismos.
Morfometría tradicional: Analiza variables como longitudes, anchos y
alturas sin la posibilidad de abstraer la forma de los organismos.
Morfometría Geométrica: estudio de la forma en un espacio bi o
tridimensional para investigar los cambios morfológicos. Estos
cambios se visualizan mediante un conjunto de puntos
morfométricos los cuales se encuentran en la misma ubicación de
un organismo a otro, permitiendo abstraer la forma mediante
programas computacionales.
Morfometría Geométrica
CAPTURA DE
IMAGEN
• Contraste y Escalas (mismo color de la muestra)
• Posición de la escala y altura (Área). Macro, Luz (artificial,
natural). Tamaño y tipo del archivo.
• Código fotos y Programas de edición
Aplicaciones
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•
Diferencias dentro o entre poblaciones
Diferencia entre macho y hembra.
Diferencias entre poblaciones según su distribución geográfica
Cambios en la desviación de la simetría
Cambios producidos durante el ciclo de vida
Cambios morfológicos producto de los genes
Diferencias morfológicas con grandes cambios
Cambios en la forma de restos materiales utilizados en la
antigüedad
¿Qué es trazabilidad?
La trazabilidad de producto consiste en un conjunto de medidas, acciones y procedimientos que permiten
registrar e identificar cada producto desde su origen hasta su destino final.
Existen diferentes técnicas para realizarlo. Unas de ellas utiliza
el material genético en la identificación de productos
alimenticios. Para lograrlo es necesaria la obtención de
marcadores moleculares que permitan obtener una "huella
digital genética" y de esta forma diferenciar a los organismos y
así poder realizar la trazabilidad.
¿Qué es la denominación de origen?
Las indicaciones geográficas y las denominaciones de origen protegen productos originarios del país o de una
región o localidad, siempre que tengan una calidad, reputación u otra característica imputable a su origen
geográfico. En el caso de las denominaciones de origen, deben presentar además factores naturales y humanos
que inciden en la caracterización del producto.
Una indicación geográfica es un signo utilizado para productos que tienen un origen geográfico concreto y poseen
cualidades derivadas específicamente de su lugar de origen.
Por lo general, una indicación geográfica consiste en el nombre del lugar de origen de los productos.
Además una denominación de origen necesita acreditar la presencia de factores naturales y humanos característicos
del lugar de origen de los productos, como técnicas y tradiciones de elaboración específicas.
¿Cómo podemos optimizar un recurso?
• Historias de vida
• Resistencia al cambio.
Análisis genético de
poblaciones
• Plusvalía comercial
• Manejo pesquero
• Denominación de origen
• Veda geográfica
• Cuotas de captura
• Protección de patrimonio
genético
• Cultivos exitosos
• Repoblamiento adecuado
Salud de la o las
poblaciones de
recursos pesqueros.
Tamaño efectivo de poblaciones
Expresión génica
Diversidad genética
Histología Molecular
Variabilidad genética
Morfología geométrica
Stock genético
Ciclo de vida
Mortalidad natural
Alimentación
EMS microscópico
Fauna acompañante
Ciclo reproductivo
EMS Macroscópico
Fecundidad
Proporciones y relaciones
Peso longitud
Talla de primera madurez sexual
Marcaje y recaptura
índice gonadosomático
Datos merísticos
Sitios de desove
Migraciones
Parásitos
Proporción sexual
Tamaño poblacional
Edad y crecimiento
Predadores
Unidades poblacionales
Agradecimientos:
Global Pesca
Comité Organizador
Fundación CEQUA
Gobierno Regional de Magallanes
Conicyt
Lab. Genética y genómica de CEQUA.
Dra. Fabiola Arcos
Dra. Rocio Canche
Ing. Diana Schofield
M. Cs Paulina Mejia
M. Cs Carlos Olave
PESCA RESPONSABLE PESQUERÍA SUSTENTABLE ¡¡