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EFECTO DIFERENCIAL DE LOS GENES MITOCONDRIALES 16S, 12S, Cytb y COI EN LA
CONSTRUCCIÓN DE ÁRBOLES FILOGENÉTICOS DEL ORDEN COLEOPTERA (INSECTA), POR
MEDIO DE SU ANÁLISIS UTILIZANDO MÁXIMA VEROSIMILITUD.
Carlos Hernández-Jaimes Código 2061290
INTRODUCCIÓN
El orden Coleoptera es un grupo de insectos muy diverso y de muy amplia distribución.
Cerca de 360000 especies han sido descritas hasta el momento, lo cual constituye una
diversidad impresionante en comparación con otros grupos dentro de Insecta y los
convierte en un grupo ideal para la realización de estudios filogenéticos, poblacionales y
ecológicos. En la literatura se ha estudiado frecuentemente el efecto diferencial de genes
nucleares vs genes mitocondriales en la construcción de filogenias en otros invertebrados
(Shaw, 2002) y en anfibios (Goncalves et al., 2007), y se ha encontrado que, por lo general,
existen diferencias notables en las topologías obtenidas con cada tipo de gen, no obstante
ha sido menos estudiado este mismo efecto a nivel del genoma mitocondrial, por lo cual
este trabajo presenta una pequeña visión sobre las diferencias entre las topologías
construidas utilizando distintos genes mitocondriales.
MATERIALES Y MÉTODOS
Se realizó un análisis filogenético utilizando 14 taxa como ingroup, pertenecientes al
Orden Coleoptera (Insecta), representativos de 5 familias (Bruchidae, Dytiscidae,
Chrysomelidae, Scarabidae y Aspidytidae) y 3 taxa como outgroup, pertenecientes al
orden Diptera (Insecta). Las secuencias empleadas en este análisis corresponden con
genes mitocondriales parciales que codifican para las subunidades ribosomales 16S y 12S;
y para las subunidades Citocromo b (Cytb) y Citocromo Oxidasa 1 (COI) de los complejos
de membrana mitocondriales. Las secuencias fueron descargadas de la base de datos del
GenBank. Los números de acceso de cada uno de los genes para cada taxa se muestran en
la tabla 1. Se realizó un alineamiento múltiple de las secuencias de cada set de datos (16S,
12S, Cytb, COI), empleando el programa Muscle 3.8.31 (Robert, 2004), estos
alineamientos fueron posteriormente utilizados para hallar el modelo evolutivo mediante
el programa jModelTest 0.1.1 (Posada, 2008) utilizando 7 esquemas de sustitución (54
parámetros). El modelo para cada uno de los genes fue seleccionado aplicando el criterio
de selección de AKAIKE. Con base en el modelo hallado para cada gen se ejecutó un
análisis de máxima verosimilitud (ML) de las secuencias génicas en estudio utilizando el
programa PhyML 3.0 (Guidon y Gascuel, 2003), para el cual se modificaron los parámetros
de búsqueda por defecto de acuerdo con la información proporcionada por los modelos
hallados en jModelTest. Adicionalmente se realizó en PhyML, el análisis no paramétrico de
bootstrap con 100 réplicas. Las topologías filogenéticas arrojadas por PhyML fueron
visualizadas en FigTree. Las topologías que presentaron el outgroup agrupado junto con el
ingroup fueron re-enraizadas. Como criterio de comparación entre las topologías
construidas con los distintos sets de datos, se observó la distribución general de los taxa
(basal o derivado), la agrupación de las familias en nodos o la dispersión de los taxa, los
valores de bootstrap de algunos de los nodos, y la monofilia o no monofilia del orden
Coleoptera para cada gen.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los modelos evolutivos hallados con jModelTest fueron GTR + G para los genes 16S, 12S y
COI y TVM + G para el gen Cytb, no obstante debido a que este último modelo no se
encuentra implementado en PhyML fue necesario reemplazar este modelo por GTR + G,
dado que TVM es una forma de GTR pero con una sola tasa de transiciones: a, c, d, f, e=b
(Posada & Crandall, 2001). Los resultados arrojados por PhyML para los genes 16S, 12S,
Cytb y COI se observan en las figuras 1, 2, 3 y 4 respectivamente; y solo se muestran las
filogenias que han sido re-enraizadas. No se obtuvieron parafilias dentro de Coleoptera
para ninguno de los genes, por lo cual se observa que cada set de datos mitocondriales
sugiere la monofilia del grupo, no obstante los sets de datos empleados no son
representativos de todo el orden Coleoptera por lo cual al incluir un mayor número de
secuencias sería probable obtener resultados diferentes o evidencia a favor de la
monofilia del grupo. En términos generales se observaron diferencias en las topologías
construidas con los diferentes sets de datos, especialmente en la distribución de los taxa a
lo largo de los distintos nodos, es así que especies del género Apotolamprus
constantemente aparecen distribuidas en distintos nodos, excepto para el gen Cytb en el
cual es posible observar un clado formado por las especies de este género (Fig 3); de igual
forma el género Arachnodes se ubica en distintos clados y se agrupa con distintas especies
en las distintas topologías (Figs 1-4). Adicionalmente se observan diferencias en los
valores de Bootstrap de los nodos entre las 4 filogenias lo cual es congruente con la
distinta agrupación de los taxa por cada gen (Figs 1-4). Respecto de la ubicación de los
nodos en las filogenias es posible apreciar que el nodo compuesto por los integrantes de
la familia Dyctiscidae (género Agabus), aparecen basales en las topologías construidas con
los genes 16S, 12S y Cytb (Figs 1-3), sin embargo, en la filogenia arrojada por el gen COI se
observa a Dyctiscidae como un clado derivado, en el extremo de la topología, lo cual
plantea una hipótesis completamente opuesta en relación con esta familia en las otras
filogenias. El tamaño de los árboles y los valores de verosimilitud de las 4 construcciones
filogenéticas también presentaron diferencias (Figs 1-4), es así que el gen 12S presentó el
menor valor de verosimilitud (=-3593.11) mientras que el gen 16S presentó el menor
tamaño del árbol (=5,65571). Los anteriores planteamientos sugieren que no es posible
tener una visión clara de las relaciones filogenéticas dentro de Coleoptera mediante el
empleo de genes mitocondriales 16S, 12S, Cytb y COI por separado, por lo cual es
necesario realizar un análisis de evidencia total con estos genes, no obstante la
construcción de topologías con estos genes sugieren la monofilia del grupo.
Adicionalmente es importante utilizar un mayor número de secuencias y de genes con el
objetivo de obtener una muestra representativa de todo el Orden Coleoptera y evaluar la
validez de los distintos sets de datos moleculares y de la actual clasificación taxonómica de
los taxa.
REFERENCIAS
Goncalves, H., Martínez-Solano, I., Ferrand, N. & García-París, M. 2007. Conflicting
phylogenetic signal of nuclear vs mitocondrial DNA markers in midwife toads (Anura,
Discoglossidae, Alytes): Deep coalescence or ancestral hybridization?. Molecular
Phylogenetics and Evolution 44, 494-500.
Guidon, S. & Gascuel, O. 2003. A Simple, Fast, and Accurate Algorithm to Estimate Large
Phylogenies by Maximum Likehood. Sistematic Biology 52, 696-704.
Posada, D. & Crandall, K. A. 2001. Selecting Models of Nucleotide Substitution: An
Application to Human Immunodeficiency Virus 1 (HIV-1). Molecular Biology and Evolution
18, 897-906.
Posada D. 2008. jModelTest: Phylogenetic Model Averaging. Molecular Biology and
Evolution 25, 1253-1256.
Robert, C.E. 2004. Muscle: Multiple Sequence Aligment With High Accuracy and High
Throughput, Nucleic Acids Research 32, 1792-97.
Shaw, K. L. 2002. Conflict between nuclear and mitochondrial DNA phylogenies of a recent
species radiation: What mtDNA reveals and conceals about modes of speciation in
Hawaiian crickets. The Proceedings of the National Academy of Sciences of the United
States of America 99, 16122-16127.
ANEXOS
Tabla 1. Números de acceso GenBank de cada uno de los genes mitocondriales empleados en el estudio por
cada uno de los taxones seleccionados.
Taxa
Outgroup
Ingroup
Aedes aegypti
Anopheles funestus
Drosophila melanogaster
Acanthoscelides obtectus
Acanthoscelides obvelatus
Agabus disintegratus
Agabus heydeni
Ambrostoma quadriimpressum
Apotolamprus hanskii
Apotolamprus helenae
Apotolamprus quadrinotatus
Apotolamprus rubromaculatus
Arachnodes antoetrae
Arachnodes apotolamproides
Arachnodes balianus
Arachnodes cyanescens
Aspidytes niobe
16S
EF531105.1
HM193435.1
AF034475.1
AY826480.1
AY826482.1
AY071769.1
AY039263.1
AF097078.1
DQ369610.1
DQ369611.1
EU030538.1
DQ369613.1
DQ369615.1
DQ369616.1
DQ369617.1
DQ369619.1
AY071783.1
Códigos de Acceso GenBank
12S
Cytb
X97155.1
DQ287369.1
AY356400.1
AY945982.1
AY945983.1
AY745641.1
AY745642.1
AF097047.1
DQ369357.1
DQ369358.1
DQ369359.1
DQ369360.1
DQ369362.1
DQ369363.1
DQ369364.1
DQ369366.1
AY745640.1
EU494141.1
DQ287361.1
AJ970959.1
AY947505.1
AY881232.1
AY745658.1
AY745659.1
DQ009990.1
DQ369393.1
DQ369394.1
DQ369395.1
DQ369396.1
DQ369397.1
DQ369398.1
DQ369399.1
DQ369400.1
AY745657.1
CO1
EF153617.1
AY423059.1
AJ970960.1
AY676643.1
AY947520.1
AY071795.1
AY039275.1
AF097028.1
DQ369637.1
DQ369471.1
EU248064.1
GQ352501.1
EU248061.1
GQ342136.1
DQ369477.1
DQ369479.1
AY071808.1
Figura 1. Árbol de máxima verosimilitud para el gen mitocondrial 16S que presenta las relaciones
filogenéticas entre distintos taxa pertenecientes al orden Coleoptera. Los valores en los nodos corresponden
con los valores de Bootstrap no paramétrico. Log-verosimilitud = -4437.2476. Tree size = 5.65571.
Figura 2. Árbol de máxima verosimilitud para el gen mitocondrial 12S que presenta las relaciones
filogenéticas entre distintos taxa pertenecientes al orden Coleoptera. Los valores en los nodos corresponden
con los valores de Bootstrap no paramétrico. Log-verosimilitud = -3593.11. Tree size = 7.94288.
Figura 3. Árbol de máxima verosimilitud para el gen mitocondrial Cytb que presenta las relaciones
filogenéticas entre distintos taxa pertenecientes al orden Coleoptera. Los valores en los nodos corresponden
con los valores de Bootstrap no paramétrico. Log-verosimilitud = -5775.3816. Tree size = 6.24929.
Figura 4. Árbol de máxima verosimilitud para el gen mitocondrial COI que presenta las relaciones
filogenéticas entre distintos taxa pertenecientes al orden Coleoptera. Los valores en los nodos corresponden
con los valores de Bootstrap no paramétrico. Log-verosimilitud = -6927.165. Tree size = 10.66559.