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Introducción a la Ecología Molecular
I ntroducción a la
Ecología M olecular
Luis E. Eguiarte y Valeria Souza
L
a Ecología Molecular es una novedosa y vigorosa rama de la Ecología. De
manera resumida la podemos definir como el empleo de herramientas
moleculares para resolver problemas ecológicos. Tal aplicación ha abierto la
puerta para el estudio de problemas que hace pocos años nos parecían insolubles
aunque fascinantes y centrales. Al mismo tiempo ha generado nuevas preguntas
y campos de conocimiento, tanto en lo ecológico como en lo evolutivo.
La Ecología Molecular se ha enfocado al uso de marcadores genéticos para
resolver problemas poblacionales, como queda claro de hojear cualquier número
de la revista Molecular Ecology. Y trata de resolver los problemas clásicos de la
ecología de poblaciones: ¿cómo definir una población?; ¿dónde acaba y dónde
inicia?; ¿cómo definir a las especies?; ¿cómo analizar a las poblaciones híbridas?
y ¿cuáles son realmente las especies que les dieron origen?
Otros problemas clásicos dentro la Ecología Molecular han sido su uso para
llevar a cabo análisis de paternidad, pregunta central en el estudio de la conducta,
la evolución de los sistemas reproductivos y la selección sexual. Íntimamente relacionado con el análisis de paternidad está la estimación directa del flujo génico,
y en este tenor, la Ecología Molecular rápidamente se confunde con la Genética
de Poblaciones, disciplina que le da sustento a todos los análisis formales con
marcadores moleculares.
Adicionalmente, la Ecología Molecular ha tratado de usar los marcadores genéticos para decidir si un organismos pertenece o no a una especie, y esta idea ha
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sido llevada a niveles exquisitos en su uso en bacteriología, donde se ha revelado
una diversidad insospechada de microorganismos, muchos de los cuales no se
había presumido su existencia previamente (i.e., todo el dominio Archaea), ya que
no se pueden cultivar con los métodos tradicionales de la microbiología.
Y se han abierto nuevas avenidas. Por el lado de la filogenia, la Ecología Molecular nos puede dar elementos para realizar estudios comparativos y entender,
en un marco riguroso y formal, la evolución de las adaptaciones y la morfología.
También se han usado con éxito ideas filogenéticas para definir prioridades de
conservación. Recientemente, se ha desarrollado un nuevo campo que sugiere por
fin una síntesis entre los estudios poblacionales y los estudios macroevolutivos,
en un contexto ecológico. Éste es el estudio de las tasas de especiación, que junto
con relojes moleculares nos permiten explorar mejor las radiaciones evolutivas,
para tratar de contestar ¿por qué surgen más especies?, ¿por qué a esos ritmos,
a esos tiempos?
También es muy importante mencionar un avance que consideramos crítico
dentro de la Ecología Molecular: el estudio de los Metagenomas. La idea de Metagenoma es muy básica, de fuerza bruta: secuenciar el genoma completo de
todos los organismos de un lugar. Lo que generalmente se hace es juntar una
muestra de agua, sedimento o suelo, separar a los procariotes (ya que el genoma
de los eucariotes es demasiado grande para ser secuenciado de esta forma) y de
estos organismos secuenciar una muestra, más o menos aleatoria, de este total
de ADN. Los detalles técnicos son complicados, pero la idea es que con este
método se podría saber no sólo los genes, sino a partir de su análisis tener una
idea de las funciones bioquímicas que realizan los organismos y así inferir como
está funcionando el ecosistema. Es decir, a partir de los genomas hacer inferencias ecológicas a nivel ecosistema y fisiología (además de aportar datos sobre la
diversidad, abundancia, filogenia y evolución de todos los microorganismos de
una localidad).
En otras palabras, la Ecología Molecular incide a todos los niveles de análisis de
la ecología moderna: a nivel de las poblaciones, para definirlas, para conocer su
historia y sus parámetros evolutivos, paternidades, adecuaciones y flujo génico. A
nivel evolutivo es claro que nos da datos para analizar a los organismos, poblaciones y comunidades en términos de Genética de Poblaciones y Evolución Molecular,
y no ayuda en la estimación de los parámetros evolutivos clásicos (selección natural,
deriva génica, mutación, migración, endogamia). A nivel fisiológico y funcional nos
ayuda a descubrir las adaptaciones y vías bioquímicas. A nivel comunidades sirve
para definir las especies que existen y sus densidades, particularmente en el caso
de microorganismos, y a veces a detectar patrones coevolutivos y de interacción. Y
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a nivel de los ecosistemas nos da elementos para comprender su funcionamiento,
en especial en relación a más famosos caja negra, los microorganismos.
La Ecología Molecular, como una disciplina reconocida, es relativamente
reciente. El nombre (aplicado a su concepción actual, por ejemplo, el Dr. Jaime
Mora lo usó para su laboratorio, el Centro de Fijación del Nitrógeno, UNAM, con
objetivos y metas diferentes a los que usamos actualmente) surge a finales de
los años 1990. En particular, podemos citar el libro Genes in Ecology de la British
Ecological Society, derivado de un simposio celebrado en 1991, y la aparición
en 1992 de la revista Molecular Ecology. En 1998 G.R. Carvhalo editó Advances in
Molcular Ecology, y recientemente (2004) apareció un primer libro de texto sobre
el tema, An introduction to Molecular Ecology, de T. Beebee y G. Rowe, dirigido a
estudiantes avanzados de licenciatura.
En particular en México, alrededor del Instituto de Ecología de la UNAM se ha
estado formando un vigoroso grupo de jóvenes investigadores trabajando en el
área de la Ecología Molecular, derivado de un sólido conjunto de investigadores
interesados en el estudio de la Ecología de Poblaciones de plantas y animales, con
una fuerte base cuantitativa y de genética de poblaciones. El inicio fue relativamente lento, por la falta de infraestructura física y de entrenamiento en Biología
Molecular, pero recientemente el desarrollo ha sido impresionante y muy exitoso.
Este libro es resultado de esta interacción y desarrollo.
Este libro está dirigido a personas con una formación biológica con énfasis en la
ecología y evolución y con conocimientos básicos de genética general, estadística
y biología molecular. La mayor parte de los capítulos, aunque comienzan “desde
el principio”, tiene un carácter avanzado, y su objetivo es guiar a los estudiantes
de los últimos años de licenciatura, y principalmente a estudiantes graduados y a
científicos interesados en iniciar investigaciones en los diferentes subtemas que
componen el campo de la Ecología Evolutiva. Cada capítulo pretende ser una
guía a los desarrollos e ideas más importantes, para que posteriormente el lector
pueda adentrarse con más seguridad y claridad en estos campos. Los lectores que
lo juzguen necesario pueden revisar conceptos básicos de evolución y genética
de poblaciones en el texto que compilamos Juan Nuñez-Farfán y Luis E. Eguiarte
(Evolución Biológica, 1999, UNAM, Conabio, México).
Esta obra está dividida en cinco partes. En la primera, denominada Teoría,
revisamos en cuatro capítulos los aspectos teóricos fundamentales en los que se
sustenta la Ecología Molecular, relacionados con la Genética de Poblaciones y con
la Evolución Molecular. Iniciamos analizando, a nivel molecular, la fuerza evolutiva
más importante para los ecólogos, la selección natural, que es el motor básico de
la adaptación y de los procesos poblacionales. Amanda Castillo hace una actua-
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lizada revisión del tema, describiendo los métodos estadísticos para detectarla a
nivel molecular, ejemplifica los avances y termina describiendo los programas de
computadora desarrollados recientemente para este tipo de análisis.
A continuación revisamos dos fuerzas evolutivas que se han estudiado con
gran éxito recientemente usando marcadores moleculares. El primer trabajo, de
Erika Aguirre, describe el flujo génico, tanto su estimación directa como indirecta,
y algunos avances genealógicos y de coalescencia. Alejandra Moreno revisa las
diferentes ideas, metodologías y fórmulas para estimar el tamaño efectivo y para
entender el papel de la deriva génica, tocando diferentes métodos relacionados
con la coalescencia y revisando las perspectivas para su estimación y estudio. La
sección cierra con una revisión de las ideas y métodos de reconstrucción filogenética por León Martínez Castilla, donde se examinan los conceptos relacionados con
árboles filogenéticos, y los diferentes métodos de reconstrucción filogenética.
El siguiente apartado contiene cuatro capítulos y trata de los algunos temas
fundamentales de la Ecología Molecular. Inicia con el tema central dentro de esta
disciplina, el estudio de la paternidad en las poblaciones naturales, donde Jordan
Golubov y Jorge Ortega pasan revista a la teoría y ejemplos de estudios tanto en
plantas como en animales. Posteriormente, se analizan dos problemas clásicos
de la ecología molecular en plantas. Primero el de la endogamia y de su principal
determinante en plantas, la tasa de fecundación cruzada en plantas, cuya autoría
pertenece a César Abarca y Adriana López. En segundo lugar se encuentra el
análisis de María del Carmen Mandujano de los niveles de clonalidad en angiospermas, quien inspecciona la literatura sobre el uso de marcadores moleculares,
sus problemas evolutivos y técnicos y sus perspectivas.
Otra faceta central de la Ecología Molecular es un tema “sintético”, que usa datos y métodos de diversas fuentes y tradiciones, pero que nos permite redondear
ideas y conceptos tanto de Ecología Molecular como de Genética de Poblaciones.
Nos referimos a la Genética de la Conservación, una de las aplicaciones potencialmente más importantes de la Ecología Molecular, que ha recibido recientemente
considerable atención, tanto en libros de texto, simposios y revistas especializadas y de la cual Martha Rocha y Jaime Gazca presentan una interesante revisión
actualizada.
Los métodos de la Ecología Molecular nos han ayudado a entender y definir
mejor a las especies, poblaciones y en general a los proceso ecológicos y evolutivos
en los microorganismos. La tercera parte de este libro contiene cuatro capítulos
donde se usan métodos de ecología molecular para estudiar diferentes aspectos de
estos organismos. En un primero trabajo, Rodolfo Salas revisa los avances en métodos para detectar la recombinación en microorganismos, tanto bacterias como
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hongos. También discute los estudios empíricos y los programas disponibles para
su estimación. En muchos microorganismos no se han observado directamente
procesos o mecanismos sexuales o de recombinación, por lo que los marcadores
genéticos y métodos estadísticos y de Genética de Poblaciones son la mejor, y a
veces la única herramienta para medir la magnitud de esta recombinación. No
debemos olvidar que estos métodos se pueden utilizar para estudiar los niveles de
recombinación en otros genomas y organismos, tema que seguramente va a tener
un desarrollo muy importante usando datos derivados de los proyectos genómicos
y para analizar incidencias de enfermedades y susceptibilidades congénitas.
Como ya mencionamos, una aplicación clásica de la Ecología Molecular ha sido
la de tratar de definir que es una especie, principalmente dentro de microorganismos, y derivar reglas para precisar los criterios de pertenencia de un organismo a
una especie dada. Rene Cerritos desarrolla este tema considerando ejemplos tanto
de bacterias como de hongos. El siguiente capítulo es, en parte, una aplicación de
las ideas enunciadas en el anterior. En él Claudia Silva y Pablo Vinues analizan la
Ecología Molecular del grupo de los rizobios, importantes simbiontes mutualistas
de las leguminosas, y exploran su ecología, su diversidad, las especies y linajes
que existen, así como su radiación evolutiva y biogeografía y echan mano de
estas evidencias para adentrarse en el entendimiento de las especies de rizobios,
ayudándonos a acercarnos a una mejor comprensión de lo que es una especie en
bacterias, lo cual constituye uno de los problemas más importantes y paradójicos
de la microbiología contemporánea.
Para concluir con el tópico de los microorganismos, Ana Escalante revisa los
métodos e ideas usados para estudiar a las comunidades bacterianas con métodos de Ecología Molecular, otro de los temas clásicos de nuestra disciplina, que
realmente ha abierto el estudio de los microorganismos a la ecología moderna a
todos los niveles, especialmente al de las comunidades.
La cuarta parte de esta obra revisa tres estudios concretos donde se usan
conceptos y métodos de Ecología Molecular en eucariontes para ejemplificar algunos de sus usos y aplicaciones y para ilustrar las preguntas que se trabajan, sus
relaciones con otras disciplinas y sus limitaciones. Las zonas híbridas entre especies
han sido consideradas un excelente laboratorio natural para entender el proceso
de la especiación y analizar fenómenos evolutivos relacionados a la adaptación,
selección natural y flujo génico. Antonio González describe los avances recientes
en su estudio en plantas y animales con una perspectiva de Ecología Molecular.
A continuación se presentan dos revisiones sobre la filogeografía. Ella Vázquez
repasa el tema de la filogeografía en general. Nos expone un poco de la historia
de estas ideas y las características del genoma mitocondrial en animales, para
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concluir discutiendo algunos ejemplos de estudios con mamíferos y otros vertebrados. Blanca Hernández, junto con sus colaboradores, nos ilustran sobre los
patrones filogeográficos encontrados en diversos estudios de filogeografía con
aves, especialmente en el territorio mexicano, discuten diferentes metodologías,
como son el uso de las distribuciones de mismatches y el Nested Clade Analysis, y
comparan datos de la literatura con sus propios resultados recientes.
La quinta sección trata de los métodos moleculares propiamente dichos. Miroslava Rentería, estudiante de doctorado, inicia con una revisión de los métodos
utilizado. A continuación, Aldo Valera y Luisa Falcón, nos muestran con detalle
el primer paso en (casi) todo estudio de Ecología Molecular, la extracción de
ADN o ARN. Y discuten diferentes métodos de extracción del ADN y RNA, para
varios grupos de organismos, con énfasis en bacterias y plantas. El siguiente
capítulo, escrito por Laura Espinoza, trata de la “piedra angular” de la Ecología
Molecular, la cual abrió las posibilidades ilimitadas del campo, la PCR (reacción
encadenada de la polimerasa). Esta autora nos ofrece un serie de principios, de
ideas y de consejos para poder llevar a cabo PCR exitosos. Por último, Andrea
González y Xitlali Aguirre nos presentan el ISSR, un método muy sencillo que ha
sido usado exitosamente para estudios en planta y animales, y que creemos que
debe contar con una difusión mayor, dado lo sencillo, económico y reproducible
que ha resultado.
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Agradecimientos
Agrademos especialmente el apoyo de los proyectos SEP/CONACYT 44673-Q y
46475-Q, SEMARNAT/CONACYT CO10237 A1 y CO1-0246 A1 y PAPIIT/UNAM IN223105 otorgados a Valeria Souza y/o a Luis E. Eguiarte, que nos permitieron realizar
nuestro estudio sobre Ecología Molecular y avanzar en la edición del libro.
Los doctores Mark Olson del Instituto de Biología, UNAM y Arturo Becerra de la
Facultad de Ciencias, UNAM, revisaron todo el manuscrito. También agradecemos
a los revisores anónimos de la Conabio.
El libro se originó de un par de cursos que dimos en los posgrados de ciencias
biológicas y biomédicas de la UNAM. Agradecemos a todos nuestro colegas y
alumnos que dentro de los cursos, talleres y discusiones informales, alrededor
de nuestro Laboratorio de Ecología Molecular y Experimental, participaron en las
discusiones, estudios de campo y laboratorio y análisis y seminarios que dieron
forma a este libro.
A Xitlali Aguirre inicialmente la reclutamos para que nos ayudara en las revisiones y correcciones del manuscrito y a perseguir a los coautores, pero su labor
fue extraordinaria, por lo que aparece como coeditora del libro. Raúl Marcó del
Pont Lalli, del INE, ayudó enormemente a la configuración final del libro. También
queremos agradecer a todos los coautores que nos ayudaron a revisar los diferentes temas y capítulos.
La edición e impresión del libro gracias a un generoso apoyo del Instituto Nacional de Ecología, y agradecemos profundamente el interés y ayuda de la M. en
C. Irene Pisanty. Para la edición del libro también contamos con apoyos parciales
por parte de la Comisión Nacional para el Conocimiento y Uso de la Biodiversidad (Conabio) y del Instituto de Ecología de la Universidad Nacional Autónoma de
México (UNAM).
Valeria y Luis quieren dedicar este libro a sus hijos, Luis Felipe y María Antonia,
que han sufrido de manera razonablemente estoica la falta de atención de sus
padres por culpa de la Ecología Molecular.