jueves, 23 de septiembre de 2010

Los genomas de las hormigas Camponotus floridanus y Harpegnathos saltator

En el año 2008, el grupo de Danny Reinberg, profesor de bioquímica e investigador del Instituto Howard Hughes, comenzó el proyecto para secuenciar el genoma de la hormiga carpintera de Florida (Camponotus floridanus) y la hormiga saltadora de Jerdon (Harpegnathos saltator), al que se unió el grupo de Jürgen Liebig de la Escuela de las Ciencias de la Vida en la Universidad del Estado de Arizona, el grupo de Shelley L. Berger, del Departamento de Biología Celular y del Desarrollo en la Universidad de Pennsylvania, y el Instituto de Genómica de Beijing en Shenzhen (China).

Las pionerasLas pioneras. La hormiga carpintera de Florida (Camponotus floridanus, izquierda) y la hormiga saltadora de Jerdon (Harpegnathos saltator, derecha) han sido las primeras hormigas cuyo genoma se ha secuenciado. Fotografía de Alex Wild.

¿Por qué estas especies de hormigas?

La hormiga carpintera de Florida y la hormiga saltadora de Jerdon presentan grandes diferencias en su organización social, especialización en castas y flexibilidad de su comportamiento. La secuenciación del código genético estas especies de hormigas servirá para estudiar las bases del comportamiento social, la epigenética (es decir, los factores no genéticos que intervienen en el desarrollo de un organismo como, por ejemplo, mecanismos de regulación de la expresión de los genes debidos a diferencias en la alimentación y el medio ambiente) y el envejecimiento.

Camponotus floridanus

La hormiga carpintera de Florida vive en grandes colonias que pueden alcanzar unos 20.000 individuos en los que una única reina pone huevos. La reina puede vivir más de diez años y la colonia desaparece cuando ésta muere. Las obreras son de dos tipos y pueden vivir hasta dos años. Se diferencian por su tamaño (obreras mayores y obreras menores) y su conducta (las obreras mayores se encargan de la defensa de la colonia, mientras que las obreras menores buscan alimento), características establecidas únicamente por factores medioambientales.

Camponotus floridanusCamponotus floridanus. Obrera menor (izquierda) y obrera mayor (derecha). Fotografía de Alex Wild.

Se trata de una especie carroñera que puede buscar alimento en cualquier momento del día y deja una feromona de rastreo que marca el camino hasta las fuentes de alimento. Es extremadamente territorial, con un grado alto de reconocimiento entre los miembros de una misma colonia, y presenta una gran especialización en las tareas.

Harpegnathos saltator

La hormiga saltadora de Jerdon presenta una organización social y una división del trabajo más simple. La colonia puede alcanzar hasta 500 individuos y las diferencias morfológicas entre la reina y las obreras son menores. La reina puede llevar a vivir hasta cinco años y cuando muere, se produce una lucha sucesoria entre obreras que se convierten en reinas sustitutas (gamergates). Una obrera puede llegar a vivir dos años.

Harpegnathos saltatorHarpegnathos saltator. Obrera llevando un grillo paralizado que pesa varias veces más que la hormiga. Fotografía de Alex Wild.

Las obreras de esta especie atacan a sus presas (pequeños artrópodos) en solitario y durante el día. Esta hormiga es muy poco territorial, con un grado bajo de reconocimiento entre los individuos de una misma colonia, y presenta una especialización básica de las tareas.

Ambas especies de hormigas tienen microorganismos endosimbiontes en su sistema digestivo que les ayudan a digerir el alimento: Blochmannia floridanus en el caso de la hormiga carpintera de Florida y Rhizobiales en la hormiga saltadora de Jerdon. La presencia de Rhizobiales en esta especie de hormiga es algo totalmente inesperado, ya que esta bacteria suele estar presente en hormigas herbívoras que tienen una dieta pobre en nitrógeno y H. saltator es carnívora.

Peculiaridades de su genoma

El genoma de ambas especies ha sido secuenciado usando la técnica shotgun, basada en romper el genoma en fragmentos de un tamaño manejable, secuenciarlos y luego reconstruir el genoma entero (en función de los fragmentos que se solapan) por ordenador.

  • La hormiga carpintera de Florida tiene unos 240 millones de pares de bases y 17.064 genes, mientras que la hormiga saltadora de Jerdon tiene unos 330 millones de pares de bases y 18.564 genes. Estas hormigas comparten un tercio de los genes con el ser humano y dos tercios con los insectos.

    SimilitudesSimilitudes. Comparación de los genomas de la hormiga carpintera de Florida y la hormiga saltadora de Jerdon con el de otros insectos cuyo genoma ha sido secuenciado y el genoma humano.

  • Comparando ambos genomas con los de la abeja melífera (Apis mellifera) y la avispa parasitoide Nasonia, la mayoría de las familias de proteínas (5935) son comunes en estos cuatro himenópteros. También hay 690 familias que son exclusivas de estas dos hormigas. Por otra parte, la hormiga carpintera de Florida y la hormiga saltadora de Jerdon tienen, respectivamente, 3230 y 2617 familias de proteínas que no tienen ninguna homología con la de los otros dos himenópteros cuyo genoma ha sido secuenciado.

    Similitudes entre himenópterosSimilitudes entre himenópteros. Familias de proteínas que comparten los himenópteros.

  • Las secuencias repetidas de ADN constituyen un 15% del genoma de la hormiga carpintera de Florida y un 27% en la hormiga saltadora de Jerdon. Un 9,6% del genoma de la primera especie está formado por duplicaciones de segmentos de ADN y un 14,8% en el caso de la segunda especie.
  • En los genes exclusivos de estas hormigas abundan los relacionados con la detección de olores y la destoxificación.
  • Hay 96 genes de micro ARN en la hormiga carpintera de Florida y 159 en la hormiga saltadora de Jerdon. Entre otras funciones, estos genes están relacionados con la regulación del desarrollo. Por castas, las reinas sustitutas de la hormiga saltadora de Jerdon son las que expresan un repertorio más diverso. Las dos clases de obreras de la hormiga carpintera de Florida presentan diferencias de expresión el algunos tipos, lo que sugiere que su presencia o ausencia puede contribuir a las diferencias entre las castas.
  • El acortamiento de los telómeros de los cromosomas es un signo de envejecimiento en los organismos eucariotas y la telomerasa es una enzima que impide ese acortamiento. Los niveles de esta enzima disminuyen con la edad en ambas especies, aunque se observa una sobreexpresión en las reinas sustitutas de la hormiga saltadora de Jerdon (además de la capacidad para reproducirse, estas obreras ascendidas a la realeza adquieren otras características de las reinas como la mayor longevidad). Otros genes relacionados con la longevidad también se expresan en mayores niveles comparados con los de las obreras normales.
  • Los genes que codifican enzimas relacionadas con la regulación genética presentan una expresión diferencial en los cerebros de las reinas y las obreras de ambas especies. Los cambios en la expresión de algunos genes son los responsables en último término de las diferencias de forma y comportamiento en las castas de estas dos especies de hormiga.

Referencias

Genomic Comparison of the Ants Camponotus floridanus and Harpegnathos saltator. Roberto Bonasio, Guojie Zhang, Chaoyang Ye, Navdeep S. Mutti, Xiaodong Fang, Nan Qin, Greg Donahue, Pengcheng Yang, Qiye Li, Cai Li, Pei Zhang, Zhiyong Huang, Shelley L. Berger, Danny Reinberg, Jun Wang y Jürgen Liebig. 2010. Science 329, pp. 1068-1071.

Introducing Camponotus and Harpegnathos ants. Sección en la web del laboratorio de Danny Reinberg donde se esbozan las características de ambas especies de hormigas.

Camponotus floridanus. Genoma de la hormiga carpintera de Florida.

Harpegnathos saltator. Genoma de la hormiga saltadora de Jerdon.


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