Phyloepigenetics IV: Lagartija y nemátodo

Herrel et al 2008. Rapid large-scale evolutionary divergence in morphology and performance associated with exploitation of a different dietary resource. Proc Natl Acad Sci U S A. Mar 25;105(12):4792-5.

Excerpts!

"In 1971 five adult pairs of this species were moved from the small islet of Pod Kopiste (0.09 km2) to the nearby Pod Mrcaru (0.03 km2) by Nevo and coworkers (...). Although the islet of Pod Mrcaru was originally inhabited by another lacertid lizard species (Podarcis melisellensis), repeated visits (twice yearly over the past three years, beginning in 2004) show that this species has become extinct on Pod Mrcaru. Genetic mitochondrial DNA analyses indicate that the lizards currently on Pod Mrcaru are indeed P. sicula and are genetically indistinguishable from lizards from the source population"


"Differences in head size and shape also translate into significant dif ferences in bite force bet ween populations. Our data show that P. sicula lizards consume more plant material on Pod Mrcaru compared with the ancestral population on Pod Kopiste"


"This shift to a predominantly plant-based diet has resulted in the dramatic evolution of intestinal morpholog y. Morphological analysis of preserved specimens shows the presence of cecal valves (Fig. 4) in all individuals, including a hatchling (26.4-mm snout-vent length, umbilical scar present) and a very young juvenile (33.11-mm snout-vent length) examined from Pod Mrcaru."


"The fact that 1% of all currently known species of squamates have cecal valves (13, 14) illustrates the unusual nature of these structures in this population"

"Cecal valves slow down food passage and provide for fermenting chambers, allowing commensal microorganisms to convert cellulose to volatile fatt y acids (15, 16). Indeed, in the lizards f rom Pod Mrcaru, nematodes were common in the hindgut but absent from individuals f rom PodKopiste"

"Because of the larger food base available and the increase in the predict abilit y of the food source, lizard densities on Pod Mrcaru are much greater (..) lizards on Pod Mrcaru do no longer appear to defend territories. Moreover, changes in foraging style (browsing versus active pursuit of mobile prey) and social structure may also have resulted in the dramatic changes in limb proportions and maximal sprint speed previously documented for this population"

"Although the presence of cecal valves and large heads in hatchlings and juveniles suggests a genetic basis for these differences, further studies investigating the potential role of phenotypic plasticity and/or maternal effects in the divergence bet ween populations are needed"

Herrell no discute mucho qué tan relevante puede ser la simbiosis con un nemátodo. Veamos un ejemplo de anfibios


Effects of the nematode Gyrinicola batrachiensis on development, gut morphology, and fermentation in bullfrog tadpoles (Rana catesbeiana): a novel mutualism


Gregory S. Pryor *, Karen A. Bjorndal J. Exp. Zool. 303A:704-712, 2005.


Abstract

We describe a novel mutualism between bullfrog tadpoles (Rana catesbeiana) and a tadpole-specific gastrointestinal nematode (Gyrinicola batrachiensis). Groups of tadpoles were inoculated with viable or nonviable nematode eggs, and development, morphology, and gut fermentation activity were compared between nematode-infected and uninfected tadpoles. Nematode infection accelerated tadpole development; the mean time to metamorphosis was 16 d shorter and the range of times to metamorphosis was narrower in nematode-infected tadpoles than in uninfected tadpoles. At metamorphosis, infected and uninfected bullfrogs did not differ in body size or condition. Colon width, wet mass of colon contents, and concentrations of most fermentation byproducts (short-chain fatty acids: SCFAs) in the hindgut were greater in infected tadpoles. Furthermore, in vitro fermentation yields for all SCFAs combined were over twice as high in infected tadpoles than in uninfected tadpoles. One explanation for accelerated development in infected tadpoles is the altered hindgut fermentation associated with the nematodes. Energetic contributions of fermentation were estimated to be 20% and 9% of the total daily energy requirement for infected and uninfected tadpoles, respectively. Infection by G. batrachiensis nematodes potentially confers major ecological and evolutionary advantages to R. catesbeiana tadpoles. The mutualism between these species broadens our understanding of the taxonomic diversity and physiological contributions of fermentative gut symbionts and suggests that nematodes inhabiting the gut regions of other ectothermic herbivores might have beneficial effects in those hosts.


Si bien algunos nemátodos son parásitos en reptiles, otros no lo son:


Oecologia. 2006 Dec;150(3):355-61. Epub 2006

O'Grady SP, Dearing MD. Isotopic insight into host-endosymbiont relationships in Liolaemid lizards

Nitrogen isotopes have been widely used to investigate trophic levels in ecological systems. Isotopic enrichment of 2-5 per thousand occurs with trophic level increases in food webs. Host-parasite relationships deviate from traditional food webs in that parasites are minimally enriched relative to their hosts. Although this host-parasite enrichment pattern has been shown in multiple systems, few studies have used isotopic relationships to examine other potential symbioses. We examined the relationship between two gut-nematodes and their lizard hosts. One species, Physaloptera retusa, is a documented parasite in the stomach, whereas the relationship of the other species, Parapharyngodon riojensis (pinworms), to the host is putatively commensalistic or mutualistic. Based on the established trophic enrichments, we predicted that, relative to host tissue, parasitic nematodes would be minimally enriched (0-1 per thousand), whereas pinworms, either as commensals or mutualists, would be significantly enriched by 2-5 per thousand. We measured the (15)N values of food, digesta, gut tissue, and nematodes of eight lizard species in the family Liolaemidae. Parasitic worms were enriched 1+/-0.2 per thousand relative to host tissue, while the average enrichment value for pinworms relative to gut tissue was 6.7+/-0.2 per thousand. The results support previous findings that isotopic fractionation in a host-parasite system is lower than traditional food webs. Additionally, the larger enrichment of pinworms relative to known parasites suggests that they are not parasitic and may be several trophic levels beyond the host.



Correlating diet and digestive tract specialization: Examples from the lizard family Liolaemidae

Shannon P. O’Gradya, Mariana Morandob, Luciano Avilab and M. Denise Dearinga
Zoology 2005, 108 : 201-210

Abstract

A range of digestive tract specializations were compared among dietary categories in the family Liolaemidae to test the hypothesis that herbivores require greater gut complexity to process plant matter. Additionally, the hypothesis that herbivory favors the evolution of larger body size was tested. Lastly, the association between diet and hindgut nematodes was explored. Herbivorous liolaemids were larger relative to omnivorous and insectivorous congeners and consequently had larger guts. In addition, small intestine length of herbivorous liolaemids was disproportionately longer than that of congeners. Significant interaction effects between diet and body size among organ dimensions indicate that increases in organ size occur to a greater extent in herbivores than other diet categories. For species with plant matter in their guts, there was a significant positive correlation between the percentage of plant matter consumed and small intestine length. Herbivorous liolaemids examined in this study lacked the gross morphological specializations (cecum and colonic valves) found in herbivores in the families Iguanidae and Agamidae. A significantly greater percentage of herbivorous species had nematodes in their gut. Of the species with nematodes, over 95% of herbivores had nematodes only in the hindgut. Prevalence of nematodes in the hindgut of herbivores was 2× that of omnivores and 4× that of insectivores.


Los dichosos nemátodos se encuentran en todas las especies de reptil que tienen válvulas cecales


Preguntas:


Todo este cambio, en sólo 34 años.... es acaso una acumulación por selección direccional de varios genes? Grano fino, o grano grueso?

Cuánto de este cambios fenotípico drástico se debe más bien al efecto inmediato de diferentes condiciones epigenéticas, como la mentada asociación con el nemátodo?

El problema de nuestro tiempo (aún)

La falacia principal de nuestros tiempos es la idea de que la plasticidad fenotípica está genéticamente determinada o el oxymoron de los "genes de la plasticidad fenotípica".

Esta forma de pensar está perfectamete representada en la siguiente respuesta que me dio un colega ecofisiólogo en la internet:

"Say I have a population of lizards. I take half the population and move it North . Some decades later I return and do some comparative demography. I find that the Northern population grows more slowly, has a later age of first reproduction, smaller clutch sizes, maybe even larger eggs and hatchlings. Seemingly important life-history differences no? Different phenotypes.
Now I take representatives of both populations and run a common-garden experiment. Lo and behold, all those differences disappear--they were all due solely to phenotypic plasticity. Has evolution occurred in generating those differences? I (and I think most) would say no; I get the impression that you would say yes. The plasticity was already built into the original population's genome"

Según esta mentalidad, ningún fenotipo inducido epigenéticamnte sería jamás un nuevo fenotipo. Esto no hace ningún sentido estructural: cualquier sistema con estructura, sea o no sea vivo, puede deformarse producto de una interacción con el medio, generando un nuevo "fenotipo" sin que éste haya sido ensayado o preexistido de manera alguna. Los seres vivos son tan determinados en su estructura, como todo lo demás; difícilmente podrán escaparse a esta lógica.

Sin embargo, desde la perspectiva neodarwinista esto es una respuesta adaptativa que no es más que la expresión de una "maquinaria regulatoria", previamente ensayada y perfeccionada por la selección para producir una "respuesta adecuada" ante determinada variación ambiental. HE AHÍ cuando ocurrió la verdadera "evolución". En los ojos del darwinista, la evolución de esta maquinaria adaptativa habría ocurrido por un "típico" proceso de selección natural de rasgos heredables. Se trata de la seleccion de genes que regulan la plasticidad fenotípica. Instancias como la observada en el ejemplo de la lagartija no implican selección de genes y no tendrían ninguna relevancia evolutiva; son la mera expresión del estatus de los "genes de plasticidad" en la población original. Un caso como este, de modificación del fenotipo individual por el ambiente, no tiene relevancia evolutiva porque no es capaz de heredarlo a su progenie; depende del estímulo ambiental.

Los neodarwinistas "reformados", que intentan ser epigenéticos a la vez que se centran en los genes, consideran que en la asimilación genética, se favorecen los genes que logran desarrollar un rasgo con menor o ningún estímulo ambiental. Por ejemplo: Pigliucci considera que en el experimento de Waddington , se seleccionó un umbral más bajo de estímulo ambiental para el desarrollo del fenotipo crossveinless. Sin embargo, la idea de que sencillamente se seleccionan "genes de plasticidad" pierde de vista el hecho de que es necesaria la modificación ambiental del fenotipo individual. El hecho es que Waddington jamás seleccionó para la capacidad de desarrollar un fenotipo con menor o poco estímulo (aunque observemos esta capacidad en su población "final"). No es así. Waddington siempre ocupó el mismo estímulo ambiental, no lo fue "suavizando" Al comienzo del experimento de waddinton, NADIE es capaz de desarrollar el fenotipo sin el estímulo ambiental (De haber existido individuos así, daría lo mismo aplicar el estímulo ambiental al comienzo o al final: tiene que ser al principio). Waddinton simplemente eliminó durante generaciones a toda mosca que fallara en desarrollar el fenotipo crossveinless,ante siempre el mismo estímulo. Luego de algunas generaciones retiró el estímulo y vio que ya no era necesario; habían moscas que desarrollaban el fenotipo de todas formas (sin embargo, si ahora retiraba su guillotina selectiva, en pocas generaciones el rasgo vuelve a ser ambiente-dependiente)

No todas las moscas respondían al shock térmico. Una diferencia genética puede "decidir" si ocurre o no un cambio de fenotipo ante un determinado estímulo ambiental. Pero el hecho sigue siendo que sin el estímulo ambiental no hay cambio fenotípico. Los genes pueden ser necesarios, pero no suficientes. Hacen posible un fenotipo sin determinarlo (M&M). Hablar de"genes de plasticidad fenotípica" ignora la influencia estructural del cambio ambiental.


En términos de Sober, es posible decir que Pigliucci confundió "selection of" con "selection for". La independencia del estímulo ambiental (umbral=0) es la consecuencia tras algunas generaciones, pero no es lo directamente seleccionado: Waddinton sólo seleccionó un FENOTIPO).

Sin shock térmico, no hay variación alguna sobre la cual seleccionar; a esto se refieren los que dicen que el cambio ambiental "libera" variación genética oculta. Volvemos a la observación que han hecho Mary Jane, Kammerer, ganaderos y corraleros varios: no se puede seleccionar para mayor respuesta al ambiente, sin modificación ambiental del fenotipo individual. Una mejor vaca lechera sólo puede comprobarse mediante ordeñarla profusamente; una selección para pollos de mayor tamaño se acompaña de elevadas cantidades de alimentos (no se puede observar máximo crecimiento si el alimento está siendo limitante) .
Estos procesos de selección artificial, incluyendo el experimento de Waddington, tienen incorporados nada menos que un paso de modificación ambiental del fenotipo individual. Si la induccion ambiental de un fenotipo inicialmente NO HEREDABLE es un paso ineludible, incluso en una situación TAN amigable a la perspectiva darwinista como lo son los experimentos de selección artifical....con qué cara nos van a decir después que los cambios fenotípicos no heredables no tienen relevancia evolutiva?

-Alexander Vargas

Ecomorfología: la estructura supeditada al fenotipo ontogénico.

La ecomorfología hace referencia a la relación entre la morfología de los organismos y el rol ecológico, o modo de vida, que estos experimentan.
A diferencia de la morfología functional, que puede estudiarse en laboratorio, o en el registro fósil, sin necesidad de conocer el contexto natural en el que se desenvuelve el organismo, ya que se centra en la relación entre la estructura y función de un rasgo en particular, la ecomorfología es una aproximación centrada en todos los aspectos del fenotipo, no en algunos rasgos en particular y se sirve de la morfología funcional dándole un contexto biológico.
Por ejemplo la convergencia ocular, i.e., la orientación frontalizada de los ojos, se observa en una gran cantidad de linajes, como en aves nocturnas y/o cazadoras, como también en mamíferos como los carnívoros (placentados y marsupiales) o primates. En alguna medida en roedores nocturnos también se observa un grado de convergencia ocular mayor que en sus linajes hermanos de actividad diurna (tesis de Tomás Vega).
Cristopher Heesy (2008) analizó cráneos de un gran número (321) de taxa de mamíferos actuales y correlacionó el grado de convergencia con diversos aspectos del modo de vida. Evaluó cuales aspectos del fenotipo ontogénico, como el patrón de actividad (diurno/nocturno), la preferencia de sustrato (aéreo/arborícola/terrestre) y el grado de faunivoría guardaban relación con el grado de convergencia.Fig 1. Campo visual de la ardilla (a,b) y del lémur (c,d). Tomado de Hessy 2008.

Linajes nocturnos y crepusculares (tanto marsupiales como placentados) mostraron mayor convergencia ocular que los diurnos. Los placentados carnívoros (tanto diurnos como nocturnos) mostraron mayor convergencia que los forrajeros oportunistas o no-carnívoros. Sin embargo, no encontraron asociación entre convergencia y la preferencia de sustrato. Tales resultados son consistentes con el hecho de que la visión binocular permite detectar profundidad (la estereópsis es buena para los depredadores) y aumenta la agudeza visual (nocturnos), mientras que un mayor campo visual, en desmedro de la binocularidad, permite detectar al depredador en espacios abiertos como las praderas.

Una predicción importante de la filoepigénesis: Similitud en ecomorfologías implican una similitud en los fenotipos ontogénicos.

Por ejemplo en distintos linajes de mamíferos se pueden reconocer varias ecomorfologías, como forma de hormiguero, cola prensil, ojos frontalizados, etc. Lo más iluminador es que en cada linaje uno puede reconocer casi todos los modos de vida asi como sus especializaciones morfológicas.






Fig 2. Distintos ecomorfotipos ocurren en cada linaje.

De hecho, esto fue la causa de que la filogenia de mamíferos fuera un caos mientras se consideraban rasgos morfológicos en las reconstrucciones: todos los linajes tenian todos los ecomorfotipos, por lo que no fue hasta el advenimiento de reconstrucciones basadas en eventos moleculares raros que se pudo tener un esquema más claro de la filogenia de mamiferos existentes (ver Springer et al 2004).

Lo más bello de todo es que esta ubicuidad de modos de vida y morfos similares también ha ocurrido en tiempos remotos, a modo de experimentos evolutivos en linajes ancestrales de igual manera que en linajes actuales, como la siguiente figura aparecida en el paper de Zhe-Xi Luo (2007), el cual es tan iluminador que merecería su post propio.


Fig 3. Experimentos evolutivos de mamíferos del Mesozoico y su convergencia ecológica con ecomorfotipos de mamíferos modernos. Ecomorfos: a) terrestre insectivoro/omnivoro, b) Carnivoro/omnivoro semiacuático, c) carnivoro oportunista/terrestre, d) fosorial, cavador/hormiguero, e) trepador/insectívoro, f) planeador/omnívoro. En celeste: Jurásico, rosa: Cretásico temprano, blanco: actual.

Abrazos,

Rodrigo Suárez.


Wainwright PC (1991) Ecomorphology: Experimental Functional Anatomy for Ecological Problems. American Zoologist; 31(4):680-693

Bock WJ (1994) Concepts and methods in ecomorphology. J. Biosci.; 19(4):403-413.

Hessy CP (2008) Ecomorphology of orbit orientation and the adaptive significance of binocular vision in primates and other mammals. Brain Behav Evol;71(1):54-67.

Luo ZX (2007) Transformation and diversification in early mammal evolution. Nature;450(7172):1011-9

Phyloepigenetics II: Reversión de troglomorfismos en especies hypógeas

Sé que había prometido un ejemplo de dinosaurios, ya viene pronto pero por ahora acabo de comprarme un nuevo scanner así es que aprovecho de probarlo y compartir con uds esta impresionante foto que es a la vez un ejemplo magnífico de phyloepigenetics, (lo que acá bautizamos como diferencias epigenéticas entre especies), llevado a la comprobación experimental. La salamandra Proteus vive en las cavernas y por lo general tiene ojos vestigiales, apenas presentes, además de un color notablemente pálido


La salamandra de abajo también es Proteus pero ha sido crecida bajo un régimen de exposiciones a la luz. Como ven se parece bastante más a las especies de salamandras que viven fuera de las cavernas, desarrollando el ojo y además un sensual tono bronceado. Un detalle interesante: este experimento se hace con luz roja, ya que con luz normal la epidermis sobre el ojo se pigmenta con fuerza e impide que la luz incida en él. Otra cosa; este experimento ha sido repetido por distintos investigadores, figurando en algunos libros de texto. Lo que rara vez se menciona es que el primero en hacerlo fue Paul Kammerer (de cuyo libro saqué la imagen). Y bueno, para los que puedan tenerle desconfianza a Kammerer, abajo tienen un experimento parecido, comparando la respuesta a la luz de peces hypógeos con la de peces de la superficie, e híbridos entre los dos; podemos ver que hay un efecto epigenético en las diferencias; crecidos con luz los ojitos del pez hypógeo son bastante más notorios, y los peces de superficie presentan ojos más pequeños si se crecen sin luz.

Aunque sin duda hay un componente genético, también es indudable que hay un componente epigenético. No es necesario negar el componente genético. La esencia del desafío a Lewontin, es que sí existe un nivel no-genético de causalidad de diferencias evolutivas.

Ref:
Romero A, Green SM. (2005) The end of regressive evolution: examining and interpreting the evidence from cave fishes. Journal of Fish Biology 67, 3–32