Las especies de insectos semiacuáticos de los grupos Heteroptera y Gerromorpha son muy abundantes en la superficie de diversas masas de agua de todo el mundo y se han convertido, en cierto modo, en una curiosidad científica. Para comprender esta adaptación —estos insectos no son otra cosa que formas evolutivas más complejas que sus parientes terrestres— son necesarios estudios que apliquen una visión integradora de la biología evolutiva del desarrollo y la ecología evolutiva.
Los investigadores del proyecto WATER WALKING (Developmental genetics and adaptive bases of a major ecological transition – How to walk on water!) están tratando de lograr este objetivo. Abderrahman Khila, responsable del grupo en la ENS de Lyon, ha desarrollado un método multidisciplinar para estudiar cómo la interacción ente las rutas genéticas del desarrollo y los factores ecológicos pueden favorecer una evolución morfológica como la observada en los insectos semiacuáticos.
¿Por qué es tan difícil combinar la biología evolutiva del desarrollo con la ecología evolutiva?
Para ello se necesitan al mismo tiempo buenas herramientas y un contexto ecológico adecuado. En este sentido, los modelos de referencia actuales (la mosca de la fruta, los ratones, el pez cebra, entre otros) son herramientas valiosas, pero carecen del contexto ecológico. Por su parte, los modelos naturales, que por lo general son elegidos debido a un contexto ecológico específico, no han logrado establecerse para un uso rutinario de técnicas sofisticadas como la transgénesis o la genética.
¿Cómo puede el estudio de los insectos semiacuáticos ayudar a resolver estos obstáculos?
Los insectos semiacuáticos plantean un conjunto especialmente interesante de problemas biológicos que permite abordar cuestiones relacionadas con la adaptación y la diversificación de las especies. Es más, estos insectos han demostrado ser muy sensibles en relación con la transferencia de determinadas herramientas genéticas. Esto permite abordar estas cuestiones de una forma precisa e integradora, esto es, combinando la genética del desarrollo con la ecología y la evolución.
Un aspecto llamativo de la biología de este grupo de insectos es su capacidad para ocupar la superficie del agua como un nuevo hábitat (sus ancestros eran terrestres) y, por tanto, aprovechar nuevas oportunidades ecológicas. Esta transición está acompañada de un amplio conjunto de fenotipos visibles como, por ejemplo, una mayor longitud de las extremidades, una inversión del diseño de la longitud relativa de las extremidades (el segundo par de patas es el más largo en los zapateros, mientras que en la mayoría de los insectos el tercer par de patas es el más largo) así como la forma en la que se desplazan sobre un sustrato fluido. Estos también exhiben una serie de características sexualmente relevantes como su marcado dimorfismo sexual y su gran plasticidad fenotípica, fenómenos determinados frecuentemente por el conflicto sexual.
Esto, junto con las herramientas que hemos logrado desarrollar, marcó una gran diferencia a la hora de integrar la ecología, la evolución y la genética del desarrollo.
¿Cómo estudió estos insectos?
Fui invitado a unirme a un proyecto para estudiar la base genética del conflicto sexual en zapateros por el Prof. Locke Rowe (Universidad de Toronto) en colaboración con el Prof. Ehab Abouheif (Universidad McGill, Montreal). Mi primera sugerencia fue que deberíamos probar en estos organismos algunas técnicas básicas, las cuales funcionaron muy bien. De hecho, funcionaron tan bien que decidí desarrollar el resto de mi carrera científica en este sistema.
¿Cuáles son sus principales descubrimientos hasta la fecha?
Los zapateros se desplazan sobre el agua empleando un truco muy eficaz: a lo largo de la evolución, estos han desarrollado un segundo par de patas más largo con forma de pala, que funcionan como remos. Este segundo par de patas se mueve simultáneamente en el agua como un par de remos en una barca.
La primera pregunta que nos hicimos fue cómo evolucionan estas modificaciones morfológicas y funcionales. Descubrimos que un gen Hox denominado Ultrabithorax (Ubx; conservado tanto en invertebrados como en humanos) modificaba su expresión espacial y temporal y que estos cambios determinan la configuración y el aspecto del segundo par de patas. Lo realmente curioso fue que este gen hace que el segundo par de patas sea más largo pero hace que el tercer de patas sea más corto, fenómeno que determina la morfología característica de los zapateros. También descubrimos que estas funciones opuestas del gen son determinadas por la diferente concentración de proteína Ubx que presenta cada extremidad. En concreto, a concentraciones bajas —el caso del segundo par de patas— la proteína Ubx favorece el crecimiento, pero a concentraciones elevadas —el caso del tercer par de patas— la proteína Ubx inhibe el crecimiento.
Cuando nos planteamos la pregunta de cómo estas diferencias en la concentración pueden conducir a efectos opuestos en el crecimiento de las extremidades, descubrimos que aquellos genes que están regulados por la proteína Ubx respondían de manera diferente en función de su concentración. Descubrimos, por primera vez, que una proteína ancestral del sistema inmunitario (importante para el procesamiento y la presentación de antígenos en humanos) denomina gilt está controlada por la proteína Ubx. A concentraciones bajas de la proteína Ubx (segundo par de patas), se activa la expresión de la proteína gilt y se favorece la elongación de las extremidades. En cambio, a concentraciones altas de la proteína Ubx (tercer par de patas), se suprime por completo la expresión de la proteína gilt, haciendo que las extremidades sean más cortas.
Además de la locomoción en un fluido, descubrimos que la forma de las patas de los zapateros está sometida a la selección a través de la acción de depredadores como los peces que acechan bajo el agua. Este trabajo permite comprender cómo la selección (requisito para la locomoción en sustratos fluidos, así como la depredación) puede modelar la morfología animal tanto mediante cambios en el programa de desarrollo preexistente como a través de la aparición de nuevas interacciones genéticas.
¿Qué objetivos le quedan por alcanzar de aquí al final del proyecto?
Hay diferentes proyectos que aún están en marcha. El primero trata de determinar cómo estos animales adquirieron la habilidad para mantener su peso corporal sobre el agua, mientras que la mayoría de los animales se ahogan. Las pequeñas vellosidades presentes en sus extremidades les permiten capturar aire y, por tanto, crear un colchón entre la pata y la superficie del agua. Nos gustaría comprender cómo se determina la forma y la densidad de estas vellosidades durante el desarrollo.
Otro proyecto relevante aborda la cuestión de cómo surgen novedades evolutivas. Algunas especies están especializadas en desplazarse rápidamente sobre el agua y han desarrollado a lo largo de la evolución un propulsor en el segundo par de patas; una especie de abanico. Descubrimos que esta novedad surgió gracias a la aparición de un nuevo gen por duplicación. Esto es emocionante, ya que la idea generalizada es que las novedades pueden surgir reutilizando genes preexistentes.
Por último, otro proyecto aborda la cuestión de la selección sexual. Determinadas especies de zapateros exhiben un sorprendente polimorfismo en los machos con respecto a la longitud de las patas; algunos machos tienen patas más cortas (las hembras también), pero otros tienen patas extremadamente largas. Ahora sabemos que la longitud de las extremidades es importante para la competición macho-macho en aras de adquirir hembras y que los machos con extremidades más largas tienen una ventaja competitiva. Actualmente estamos intentando comprender cómo está increíble plasticidad fenotípica puede evolucionar desde un punto de vista ecológico y del desarrollo.
Además del hecho de integrar dos disciplinas científicas, ¿qué cree usted que podrían ser los principales beneficios de su investigación?
La integración per se no es el objetivo principal. El objetivo es comprender cómo surge la diversidad y qué factores contribuyen a su aparición. Las respuestas a esta pregunta fundamental han sido muy diversas y muy sesgadas, ya que las áreas de estudio (como la biología del desarrollo, la ecología, la genética de poblaciones, etc.) no están lo suficientemente interrelacionadas entre sí. Gracias a su integración, esperamos proporcionar una mejor comprensión general de la diversidad.
WATER WALKING
Financiado con arreglo a FP7-PEOPLE
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