Más información en: http://www.universidadpopularc3c.es/index.php/actividades/conferencias/event/2340 Ponente: Dr. José Luis Bella Sombría, Profesor de Biología (Genética) de la Universidad Autónoma de Madrid Tema: Conferencia sobre algunas infecciones bacterianas que afectan al sistema reproductor de ciertos animales de forma que la reproducción cruzada entre infectados y no infectados se hace imposible, lo cual conduce a la creación de nuevas especies. Fecha: 30 de octubre de 2015 Lugar: Universidad Popular Carmen de Michelena de Tres Cantos. Resumen: La especiación, es decir, el proceso biológico que resulta en la formación de una nueva especie, es la causa última de la biodiversidad que observamos (entendida ésta como catálogo de seres vivos), y un reflejo fascinante de la evolución: del entramado de relaciones que en distinto grado de cercanía, de parentesco, une a todos los seres vivos. Los distintos mecanismos que explican los fenómenos de especiación pasan por barreras reproductivas diversas, y pese a ser un área central de estudio en la Biología, todavía son más las preguntas que las respuestas al respecto. Los descubrimientos se suceden sin que deje de asombrarnos la versatilidad de la naturaleza y su maravillosa complejidad. En la charla se revisarán brevemente estos mecanismos fundamentales, responsables de la riqueza biológica que observamos en nuestro planeta, para detenernos un poco más en el descubrimiento reciente del papel que en este sentido de promover procesos de especiación y de diversificación biológica en “organismos superiores”, tienen ciertos microrganismos bacterianos (área en el que se desarrolla la investigación del grupo del conferenciante en la Universidad Autónoma de Madrid). Se comentarán descubrimientos recientes relativos a bacterias como Wolbachia, el concepto de “microbiota” (y cómo se ha demostrado que puede limitar el abanico reproductor de al menos ciertos organismos), y se introducirá una nueva visión de la simbiosis como mecanismo evolutivo mucho más común y potente de lo reconocido hasta recientemente.

1. Departamento de Biología (Genética)
Universidad Autónoma de Madrid
Especiación inducida
por infecciones bacterianas
José L. Bella

2. Concepto biológico de especie: grupos de poblaciones naturales que pueden
cruzarse entre sí real o potencialmente, y que están aislados reproductivamente de
otros grupos (Mayr, 1957)
Modificado de Pierce, Genética, 3ª Ed.

3. Concepto biológico de especie: grupos de poblaciones naturales que pueden
cruzarse entre sí real o potencialmente, y que están aislados reproductivamente de
otros grupos (Mayr, 1957)
barreras reproductivas!

4. Pueden
conducir a la
especiación

5. ¿Una infección bacteriana puede suponer una
barrera reproductiva?
¿Pueden las bacterias promover la especiación
en organismos eucariontes?
- Especiación “infecciosa”,
- Especiación “por infección”,
- Especiación “por simbiosis”,
- Especiación “microbiana”… etc.

6. Concepto de “microbiota”
Los seres vivos convivimos con un conjunto enorme y enormemente diverso
de microorganismos: la microbiota
- externamente: flora epitelial
- internamente: flora intestinal, bucal, vaginal, etc.
- estimulan nuestro sistema inmune
Imprescindible en su
papel normal, habitual
¿Alimentos probióticos?
¿Restauración/modificación de nuestra microbiota con dosis propias o ajenas?
¿Uso abusivo de antibióticos?
Relacionada con patologías diversas (en estudio):
- Síndrome metabólico
- Enfermedad de Crohn
- Obesidad
- Cáncer, etc.
Science 3 April 2015:
Vol. 348 no. 6230 pp. 80-86
DOI: 10.1126/science.aaa4972
Cancer and the microbiota
Wendy S. Garrett

7. SIMBIOSIS!

8. SIMBIOSIS:
(Del gr. σύν, con, y βίωσις, medios de subsistencia).
1. f. Biol. Asociación de individuos animales o vegetales de diferentes especies, sobre todo si
los simbiontes sacan provecho de la vida en común.
Real Academia Española ©
- Mutualismo
- Comensalismo
- Parasitismo
- Ectosimbiosis
- Endosimbiosis
- Corales
- Micorrizas
- Líquenes
- Fitófagos, rumiantes…
- Elysia chlorotica
- Mitocondrias, plastos!

9. SIMBIOSIS:
(Del gr. σύν, con, y βίωσις, medios de subsistencia).
1. f. Biol. Asociación de individuos animales o vegetales de diferentes especies, sobre todo si
los simbiontes sacan provecho de la vida en común.
Real Academia Española ©
Mitocondrias, plastos…. y neuronas?

10. - Partenogénesis
- Muerte selectiva de machos
- Feminización
- Incompatibilidad citoplasmática
- Comportamiento
 α-proteobacteria del grupo de las
rickettsias
 Endosimbionte obligada de artrópodos y
nemátodos (mutualista?): 75% de
especies de invertebrados infectados
 Diferentes cepas y supergrupos:
8 clados A, B, C, …F,… H
 Infecta las líneas somática y germinal
 Se transmite principalmente por “herencia materna”
 Induce alteraciones
reproductivas en el huésped
¿Quién es Wolbachia?

11. Unidireccional
♂ y ♀ infectados por ≠ cepa de Wolbachia
DESCENDENCIA
REDUCIDA
NO DESCENDENCIA
Bidireccional
♂ infectado x ♀ no infectada
Incompatibilidad Citoplasmática (IC)
mediada por Wolbachia
Barrera reproductiva!

12. ¿Una infección bacteriana puede suponer una
barrera reproductiva?
¿Pueden las bacterias promover la especiación
en organismos eucariontes?
- Especiación “infecciosa”,
- Especiación “por infección”,
- Especiación “por simbiosis”,
- Especiación “microbiana”… etc.

13. ¿Dónde se estudia a Wolbachia?
• Nasonia,
• Drosophila,
• Culex,
• Simúlidos, etc.
75% de especies de invertebrados infectados:
• Insectos,
• Arácnidos,
• Crustáceos,
• Nematodos y Ácaros.
La zona híbrida de Chorthippus parallelus

14. ZONA HÍBRIDA
Región geográfica donde dos taxones diferenciados
se encuentran, se cruzan y dejan descendencia
fértil con caracteres compartidos.
Son “laboratorios naturales” que permiten el
estudio de los agentes evolutivos, de las barreras
al flujo génico y de la divergencia genética.

15. La zona híbrida pirenaica de
Chorthippus parallelus: antecedentes

16. Refugio
Refugio
Refugio
Cp erythropus
Cp parallelus
Cp erythropus
Cp parallelus
Zona Híbrida
HZ
HZ
Cpe
C. parallelus parallelus y
C. parallelus erythropus
Se encuentran
en los Pirineos

17. Refugio
Refugio
Refugio
Cp erythropus
Cp parallelus
Cp erythropus
Cp parallelus
Zona Híbrida
HZ
HZ
Cpp Cpe
Buñoetal.,1992
C. parallelus parallelus y
C. parallelus erythropus
Se encuentran
en los Pirineos

18. Chorthippus parallelus:
La zona híbrida pirenaica

19. Chorthippus parallelus:
La zona híbrida pirenaica

20. 1) Se producen poblaciones híbridas
2) Errores en la regulación de la actividad de los cistrones de ADNr
3) Diferenciación rápida de los cromosomas sexuales frente a los autosomas
4) Introgresión de marcadores específicos
5) Aparecen “alelos raros”, etc.
1) Se producen individuos híbridos
2) Los machos F1 son estériles (X0)
3) Las hembras F1 se pueden retrocruzar con ambos taxones (XX)
Condiciones naturales
Condiciones de laboratorio
Conflicto intergenómico

21. • Estudios citogenéticos
• Genes nucleares y mitocondriales
• Comportamiento
• Morfometría
• Cruzamientos
• Fisiología,
• Etc.
UAM
+ grupos británicos, españoles y etc.
Análisis del “conflicto”

22. La zona híbrida pirenaica de
Chorthippus parallelus: la influencia de
Wolbachia

23. ¿Está Chorthippus parallelus
infectado por Wolbachia?
Sí
Caracterización mediante
PCR del ADNr 16S
(“multi-primed” +
“nested”) y secuenciación
¿Puede influir en su proceso incompleto
de especiación?

24. Hembras
Machos
F B BF 0
F + - - +
B - + - +
BF + + + +
0 - - - +
7 incompatibilidades citoplasmáticas potenciales (!)
Situación complicada:
- Individuos
no infectados
0
- Individuos
infectados y
co-infectados
F
B
BF
Chorthippus parallelus
está infectado por 2 cepas diferentes de Wolbachia

25. La infección afecta a las gónadas
WCH (“whole-cell hybridization”) en cortes de tejido en parafina
2 sondas
• Infección en tejidos somáticos
y germinales en ♂ y ♀
• Distribución de Wolbachia
estrictamente citoplasmática
• Todos los folículos ♂ infectados
• Células pre- espermáticas:
- Gran densidad de la bacteria
(modificación?)
- Agregación y polarización progresiva
de Wolbachia
- Desaparición de la bacteria!
• Alta densidad en gónada femenina
Martínez-Rodríguez et al., 2009
Biotech. Histochem 84: 347–353

26. Datos de
 Fecundidad (nº de puestas y huevos / cruzamiento)
 Fertilidad (nº de embriones / huevos)
 Transmisión de la infección
¿Incompatibilidad citoplasmática?
Cruzamientos:
¿qué esperamos de ellos?
¿Wolbachia = Barrera reproductiva?

27.  200 Cruzamientos (incluyendo controles)
1 ♀ x 1 ♂
 Almacenamiento de parentales (370)
y de puestas (832  6800 embriones),
para su análisis
Cruzamientos:

28.  Hay diferencias significativas en la fertilidad en los cruzamientos
entre individuos incompatibles por su tipo de infección:
 No hay diferencias en la fecundidad entre los distintos
cruzamientos.
F
F
B BF
BF
B
Macho
Hembra
 No hay diferencias en la fertilidad en los cruzamientos entre
individuos compatibles por su tipo de infección:
Cruzamientos:
84.7% (ICB)
67.5% (ICU)
(Descendientes
observados/100
esperados)
Zabal-Aguirre et al. 2014.
J. Evol. Biol. 27: 1136-1148

29. • Híbridos no-infectados
2.0% de espermátidas anormales
• No-infectados Puros Cpp y Cpe
0.7% de espermátidas anormales
• Puros infectados Cpp y Cpe
3.2% de espermátidas anormales
Wolbachia afecta a la espermatogénesis de los C. parallelus
infectados
• Híbridos infectados
6.0 % de espermátidas anormales
Espermátidas teñidas con orceína, 40X
1) Wolbachia modifica las espermátidas
2) Hay un efecto sinérgico
Wolbachia + condición híbrida
Bella et al., (2010) JOR 19 (2), 205-212.

30. Hay 3 patrones
geográficos de
infección:
Uno de ellos
exclusivo de la ZH
Adaptación!
Coevolución!
Zabal-Aguirre et al., 2010. Heredity 104: 174–184
Martínez, P. et al., enviado.
56 poblaciones
N≈10.000 individuos
Distribución de la infección de Wolbachia en C. parallelus

31. años
años
Origen y antigüedad de la infección
Origen de la zona híbrida de Chorthippus ≈ hace 9.000 años
Tasa de divergencia sinónima de ≈ 0.90% / millón de años
para bacterias en general (Raychoudhury et al., 2009)
Martínez, P. et al., enviado.

32. ¿Incompatibilidad citoplasmática mediada por Wolbachia en la zona híbrida? → Sí
- unidireccional
- bidireccional
¿Wolbachia = Barrera reproductiva en la zona híbrida? → Sí
Wolbachia muy probablemente interviene en la zona híbrida desde el origen de ésta

33. S.R. Bordenstein y col.
Vanderbilt University
Nashville, EE.UU.
Detección de Wolbachia
Secuenciación masiva del
genoma (Illumina)
C. parallelus
Ensamblaje
10 contigs
Diseño de cebadores para
los 3 de mayor tamaño
(177, 203 y 1882), para
que el producto de PCR
sea > 1500 pb.
Wolbachia se inserta en el genoma de Chorthippus parallelus (!)
Hibridación in situ no fluorescente (FISH) con
tiramidas
a)
b)
c)
Localización cromosómica del contig 1882 de
Wolbachia en Cpe y Cpp
40 µm40 µm
Funkhouser et al., 2015. PeerJ en prensa.

34. ¿Observamos una situación única, excepcional?
No: múltiples ejemplos de barrera reproductiva inducida por Wolbachia
descubiertos y analizados en estos últimos años:
- Nasonia, isópodos, Aedes albopictus y A. aegypti, Ceratitis capitata,
Anopheles gambiae, Culex pipiens… etc.
Lucha biológica
Ingeniería genética y transgénesis
- - Artrópodos
- - Nematodos
Ver
http://www.sgvmosquito.org/newse
vents_articles_details.php?aid=67
https://www6.paca.inra.fr/institut-sophia-agrobiotech_eng/Research-teams/BPI/Team-
members/MARTINEZ-RODRIGUEZ-Paloma

35. Sí!
• Rickettsia
• Spiroplasma
• Cardinium,
• Etc.
Hay otros microorganismos que puedan producir barreras
reproductivas similares?
http://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Wolbachia_pipientis
Wolbachia marcada en rojo en el interior de células
del aparato reproductor de Drosophila

36. Volvemos a la “microbiota”!
(y a la simbiosis)
Hay otros microorganismos que puedan producir barreras
reproductivas similares?

37. ¿Una infección bacteriana puede suponer una
barrera reproductiva?
¿Pueden las bacterias promover la especiación
en organismos eucariontes?
- Especiación “infecciosa”,
- Especiación “por infección”,
- Especiación “por simbiosis”,
- Especiación “microbiana”… etc.
Sí!

38. Departamento de Biología
Unidad de Genética – Grupo HyZo
Gracias!
+ grupos británicos de las Univ. de East-Anglia, QMWC-London, Sheffield y St. Andrews
+ grupos españoles de Granada, Jaén y Vigo
+ grupo estadounidense de la Vanderbilt University
Gracias particulares (alfabéticas):
Francisca Arroyo-Yebras
Aurora Bernal
Begoña Fernández Calvín
Carlos García de la Vega
Enrique González-Tortuero
Jaime Gosálvez
Carmen López
José Martín
Paloma Martínez-Rodríguez
Philip L. Mason
Mar Pérez Ruiz
Miguel Pita
Jonás Sarasa
Raquel Toribio
Joaquina de la Torre
Miguel Pita
Mario Zabal-Aguirre
Proyecto CGL2012-35007