Diversidad genética

La diversidad genética es el número total de características genéticas en la composición genética de una especie, varía ampliamente desde el número de especies hasta las diferencias dentro de las especies y se puede atribuir al período de supervivencia de una especie. Se distingue de la variabilidad genética, que describe la tendencia de las características genéticas a variar.

La diversidad genética sirve como una forma para que las poblaciones se adapten a entornos cambiantes. Con más variación, es más probable que algunos individuos de una población posean variaciones de alelos que se adaptan al medio ambiente. Esos individuos tienen más probabilidades de sobrevivir para producir descendencia con ese alelo. La población continuará por más generaciones debido al éxito de estos individuos.

El campo académico de la genética de poblaciones incluye varias hipótesis y teorías sobre la diversidad genética. La teoría neutral de la evolución propone que la diversidad es el resultado de la acumulación de sustituciones neutrales. La selección diversificadora es la hipótesis de que dos subpoblaciones de una especie viven en diferentes ambientes que seleccionan diferentes alelos en un locus particular. Esto puede ocurrir, por ejemplo, si una especie tiene un amplio rango relativo a la movilidad de los individuos dentro de ella. La selección dependiente de la frecuencia es la hipótesis de que a medida que los alelos se vuelven más comunes, se vuelven más vulnerables. Esto ocurre en las interacciones huésped-patógeno, donde una alta frecuencia de un alelo defensivo entre el huésped significa que es más probable que un patógeno se propague si es capaz de superar ese alelo.

Dentro de la diversidad de especies

Un estudio realizado por la Fundación Nacional de Ciencias en 2007 encontró que la diversidad genética (dentro de la diversidad de especies) y la biodiversidad dependen una de la otra, es decir, que la diversidad dentro de una especie es necesaria para mantener la diversidad entre especies, y viceversa. Según el investigador principal del estudio, el Dr. Richard Lankau, "si se elimina un tipo del sistema, el ciclo puede romperse y la comunidad queda dominada por una sola especie". Se ha encontrado diversidad genotípica y fenotípica en todas las especies a nivel de proteínas, ADN y organismos; en la naturaleza, esta diversidad no es aleatoria, está fuertemente estructurada y está correlacionada con la variación y el estrés ambiental.

La interdependencia entre la diversidad genética y de especies es delicada. Los cambios en la diversidad de especies conducen a cambios en el medio ambiente, lo que lleva a la adaptación de las especies restantes. Los cambios en la diversidad genética, como la pérdida de especies, conducen a una pérdida de diversidad biológica. La pérdida de diversidad genética en las poblaciones de animales domésticos también ha sido estudiada y atribuida a la extensión de los mercados y la globalización económica.

Importancia evolutiva de la diversidad genética

Adaptación

La variación en el acervo genético de las poblaciones permite que la selección natural actúe sobre los rasgos que permiten a la población adaptarse a entornos cambiantes. La selección a favor o en contra de un rasgo puede ocurrir con cambios en el entorno, lo que resulta en un aumento de la diversidad genética (si se selecciona y mantiene una nueva mutación) o una disminución de la diversidad genética (si se selecciona un alelo desventajoso). Por lo tanto, la diversidad genética juega un papel importante en la supervivencia y adaptabilidad de una especie. La capacidad de la población para adaptarse al entorno cambiante dependerá de la presencia de la diversidad genética necesariaCuanta más diversidad genética tenga una población, más probabilidades tendrá de adaptarse y sobrevivir. Por el contrario, la vulnerabilidad de una población a los cambios, como el cambio climático o nuevas enfermedades, aumentará con la reducción de la diversidad genética. Por ejemplo, la incapacidad de los koalas para adaptarse a la lucha contra la clamidia y el retrovirus del koala (KoRV) se ha relacionado con la baja diversidad genética de los koalas. Esta baja diversidad genética también tiene a los genetistas preocupados por la capacidad de los koalas para adaptarse al cambio climático y a los cambios ambientales inducidos por el hombre en el futuro.

Poblaciones pequeñas

Las poblaciones grandes tienen más probabilidades de mantener el material genético y, por lo tanto, generalmente tienen una mayor diversidad genética. Es más probable que las poblaciones pequeñas experimenten la pérdida de diversidad con el tiempo por casualidad, lo que se denomina deriva genética. Cuando un alelo (variante de un gen) se desplaza hacia la fijación, el otro alelo en el mismo locus se pierde, lo que resulta en una pérdida de diversidad genética. En tamaños de población pequeños, es más probable que ocurra la endogamia o el apareamiento entre individuos con una composición genética similar, lo que perpetúa más alelos comunes hasta el punto de fijación, lo que disminuye la diversidad genética. Por lo tanto, las preocupaciones sobre la diversidad genética son especialmente importantes con los grandes mamíferos debido al pequeño tamaño de su población y los altos niveles de efectos poblacionales causados ​​por el hombre.

Un cuello de botella genético puede ocurrir cuando una población pasa por un período de bajo número de individuos, lo que resulta en una rápida disminución de la diversidad genética. Incluso con un aumento en el tamaño de la población, la diversidad genética a menudo continúa siendo baja si toda la especie comenzó con una población pequeña, ya que las mutaciones beneficiosas (ver más abajo) son raras y el acervo genético está limitado por la pequeña población inicial. Esta es una consideración importante en el área de la genética de la conservación, cuando se trabaja hacia una población o especie rescatada que es genéticamente sana.

Mutación

Las mutaciones aleatorias generan constantemente variación genética. Una mutación aumentará la diversidad genética a corto plazo, ya que se introduce un nuevo gen en el acervo genético. Sin embargo, la persistencia de este gen depende de la deriva y la selección (ver arriba). La mayoría de las nuevas mutaciones tienen un efecto neutral o negativo sobre la aptitud física, mientras que algunas tienen un efecto positivo. Es más probable que una mutación beneficiosa persista y, por lo tanto, tenga un efecto positivo a largo plazo sobre la diversidad genética. Las tasas de mutación difieren a lo largo del genoma y las poblaciones más grandes tienen mayores tasas de mutación. En poblaciones más pequeñas, es menos probable que persista una mutación porque es más probable que se elimine por deriva.

Flujo de genes

El flujo de genes, a menudo por migración, es el movimiento de material genético (por ejemplo, por el polen en el viento o la migración de un pájaro). El flujo de genes puede introducir nuevos alelos en una población. Estos alelos pueden integrarse en la población, aumentando así la diversidad genética.

Por ejemplo, surgió una mutación resistente a los insecticidas en los mosquitos africanos Anopheles gambiae. La migración de algunos mosquitos A. gambiae a una población de mosquitos Anopheles coluzziin resultó en una transferencia del gen de resistencia beneficioso de una especie a otra. La diversidad genética aumentó en A. gambiae por mutación y en A. coluzziin por flujo de genes.

En agricultura

En cultivos

Cuando los humanos comenzaron inicialmente a cultivar, utilizaron la reproducción selectiva para transmitir los rasgos deseables de los cultivos y omitir los indeseables. La cría selectiva conduce a monocultivos: granjas enteras de plantas casi genéticamente idénticas. Poca o ninguna diversidad genética hace que los cultivos sean extremadamente susceptibles a enfermedades generalizadas; las bacterias se transforman y cambian constantemente y cuando una bacteria que causa una enfermedad cambia para atacar una variación genética específica, fácilmente puede acabar con grandes cantidades de la especie. Si la variación genética que la bacteria es mejor para atacar resulta ser la que los humanos han criado selectivamente para usar en la cosecha, toda la cosecha será aniquilada.

La Gran Hambruna del siglo XIX en Irlanda fue causada en parte por la falta de biodiversidad. Dado que las nuevas plantas de papa no surgen como resultado de la reproducción, sino más bien de partes de la planta madre, no se desarrolla diversidad genética y el cultivo completo es esencialmente un clon de una papa, es especialmente susceptible a una epidemia. En la década de 1840, gran parte de la población de Irlanda dependía de las patatas como alimento. Plantaron a saber, la variedad de patata "lumper", que era susceptible a un oomiceto causante de la pudrición llamado Phytophthora infestans. El hongo destruyó la gran mayoría de la cosecha de papa y dejó a un millón de personas muriendo de hambre.

La diversidad genética en la agricultura no solo se relaciona con las enfermedades, sino también con los herbívoros. De manera similar al ejemplo anterior, la agricultura de monocultivo selecciona características que son uniformes en toda la parcela. Si este genotipo es susceptible a ciertos herbívoros, esto podría resultar en la pérdida de una gran parte de la cosecha. Una forma en que los agricultores solucionan esto es a través de cultivos intercalados. Al plantar hileras de cultivos no relacionados o genéticamente distintos como barreras entre los herbívoros y su planta huésped preferida, el agricultor reduce efectivamente la capacidad del herbívoro para propagarse por toda la parcela.

En ganadería

La diversidad genética de las especies de ganado permite la cría de animales en una variedad de entornos y con una variedad de objetivos diferentes. Proporciona la materia prima para los programas de cría selectiva y permite que las poblaciones de ganado se adapten a medida que cambian las condiciones ambientales.

La biodiversidad del ganado puede perderse como resultado de la extinción de razas y otras formas de erosión genética. A junio de 2014, entre las 8.774 razas registradas en el Sistema de Información sobre la Diversidad de los Animales Domésticos (DAD-IS), operado por la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO), el 17 % se clasificaba en peligro de extinción y el 7 % por ciento ya extinto. Ahora existe un Plan de acción mundial para los recursos zoogenéticos que se desarrolló bajo los auspicios de la Comisión de Recursos Genéticos para la Alimentación y la Agricultura en 2007, que proporciona un marco y directrices para la gestión de los recursos zoogenéticos.

La conciencia sobre la importancia de mantener los recursos zoogenéticos ha aumentado con el tiempo. La FAO ha publicado dos informes sobre el estado de los recursos zoogenéticos para la alimentación y la agricultura en el mundo, que abarcan análisis detallados de nuestra diversidad ganadera mundial y la capacidad para gestionarla y conservarla.

Implicaciones virales

Se debe considerar una alta diversidad genética en los virus al diseñar vacunas. La alta diversidad genética dificulta el diseño de vacunas dirigidas y permite que los virus evolucionen rápidamente para resistir la letalidad de la vacunación. Por ejemplo, las vacunas contra la malaria se ven afectadas por los altos niveles de diversidad genética en los antígenos proteicos. Además, la diversidad genética del VIH-1 limita el uso de las pruebas de resistencia y carga viral actualmente disponibles.

Hacer frente a la baja diversidad genética

Natural

El mundo natural tiene varias formas de preservar o aumentar la diversidad genética. Entre el plancton oceánico, los virus ayudan en el proceso de cambio genético. Los virus oceánicos, que infectan el plancton, portan genes de otros organismos además de los propios. Cuando un virus que contiene los genes de una célula infecta a otra, la estructura genética de esta última cambia. Este cambio constante de composición genética ayuda a mantener una población saludable de plancton a pesar de los cambios ambientales complejos e impredecibles.

Los guepardos son una especie amenazada. La baja diversidad genética y la mala calidad del esperma resultante han dificultado la reproducción y la supervivencia de los guepardos. Además, solo alrededor del 5% de los guepardos sobreviven hasta la edad adulta. Sin embargo, recientemente se descubrió que las guepardos hembras pueden aparearse con más de un macho por camada de cachorros. Se someten a ovulación inducida, lo que significa que se produce un nuevo óvulo cada vez que una hembra se aparea. Al aparearse con múltiples machos, la madre aumenta la diversidad genética dentro de una sola camada de cachorros.

Intervención humana

Los intentos de aumentar la viabilidad de una especie aumentando la diversidad genética se denominan rescate genético. Por ejemplo, se introdujeron ocho panteras de Texas en la población de panteras de Florida, que estaba disminuyendo y sufría de depresión endogámica. Por lo tanto, la variación genética aumentó y resultó en un aumento significativo en el crecimiento de la población de la pantera de Florida. Crear o mantener una alta diversidad genética es una consideración importante en los esfuerzos de rescate de especies, para asegurar la longevidad de una población.

Medidas

La diversidad genética de una población se puede evaluar mediante algunas medidas simples.

• La diversidad génica es la proporción de loci polimórficos en todo el genoma.
• La heterocigosidad es la fracción de individuos en una población que son heterocigotos para un locus particular.
• Los alelos por locus también se utilizan para demostrar la variabilidad.
• La diversidad de nucleótidos es la extensión de los polimorfismos de nucleótidos dentro de una población y se mide comúnmente a través de marcadores moleculares como secuencias de micro y minisatélites, ADN mitocondrial y polimorfismos de un solo nucleótido (SNP).

Además, el software de simulación estocástica se usa comúnmente para predecir el futuro de una población dadas medidas como la frecuencia de alelos y el tamaño de la población.

La diversidad genética también se puede medir. Las diversas formas registradas de medir la diversidad genética incluyen:

• La riqueza de especies es una medida del número de especies
• Abundancia de especies una medida relativa de la abundancia de especies
• Densidad de especies una evaluación del número total de especies por unidad de área