Robert

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Genetica della Conservazione

Lezione 6

Tassonomia

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o”A che serve la tassonomia?

Definire accuratamente la posizione tassonomica di unapopolazione permette di stabilire se essa è davvero inpericolo, e quanto. La tassonomia inoltre permette didefinire le unità di gestione all’interno della specie. Inquesto modo si evita che specie non considerate tali siestinguano, o che si dia protezione a specie epopolazioni che di fatto non sono tassonomicamentediverse da altre non in pericolo. Le ambiguità

tassonomiche sono prevalentemente dovute a

carenza di dati sulla popolazione in esame!

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o”

Il caso del Peripatus

Gli onicofori del genere Peripatus sono considerati deifossili viventi perché sono morfologicamente immutati dacirca 570 milioni di anni. Su base morfologica, inAustralia nel 1985 vennero descritte 7 specie. In seguitoad analisi di allozimi e microsatelliti, ora il numero dispecie chiaramente differenziate è superiore a 100!

Un esempio opposto

Robert

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o”La pantera della Florida (a sinistra) era considerata in pericolo.Tuttavia i dati genetici dimostrano che non c’è una differenzasignificativa tra le 8 sottospecie morfologicamente riconosciutedi puma del Nord America (tra cui la pantera della Florida).

Definizionedi specie

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La maggior parte delle specie classificatesono state storicamente identificate in base acaratteristiche morfologiche. Tuttavia questepossono avere scarsa o nessuna relazione conla genetica e l’evoluzione. Ad esempio nelcaso del Peripatus abbiamo a che fare conspecie criptiche (o gemelle), mentre Masai eCinesi (ma anche Alano e Chihuahua) sonochiaramente la stessa specie!

Un esempio dispecie criptiche

Robert

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Muntiacus reevesi (Cina) eMuntiacus muntjak (India)sono morfologicamentemolto simili, ma l’analisidel cariotipo rivela che ilprimo ha 46 cromosomi, ilsecondo solo 6 nellefemmine e 7 nei maschi,dimostrando che sonochiaramente due speciedistinte. Probabilmente laseconda specie haaccumulato una serie difusioni e riarrangiamenticromosomici che hannoportato all’isolamentoriproduttivo.

Riarrangiamenti cromosomici edevoluzione

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Cariotipi di primati a confronto

Legenda: HSA=Homo sapiens (uomo); PPA=Pan paniscus (scimpanzè

bonobo); GGO=Gorilla gorilla; PPY=Pongo pygmaeus (orangutan).

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Sinteniauomo-topo

An overview of the synteny betweenmouse and human (…). The central(larger) chromosomes are the humanchromosomes, which are flanked bytheir syntenic mouse chromosomes.Lewis et al. Genome Biology 2002

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Definizione morfologica di specie

Lucanus sp. in alto a destra due femmine.

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o”Al momento esistono almeno 22definizioni diverse di specie cheprendono in considerazione vari aspettidell’organismo in esame. La speciemorfologica è basata su caratteri mor-fologici. Viene generalmente usata perle specie attuali e per quelle fossili. Ildimorfismo sessuale unito a variabilitàmorfologica, ad esempio, possonoapparentemente accomunare esterior-mente organismi appartenenti a specietotalmente differenti. Tipico è il caso dimaschi di dimensioni ridotte di alcunicoleotteri che tendono a rassomigliarea femmine di specie differenti.

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L’omologiaLa classificazione dei viventi si basa essenzialmente sulle somiglianzesia a livello di struttura del corpo, sia di sviluppo embrionale, sia (piùrecentemente) di sequenze di DNA e proteine (evoluzionemolecolare). Può accadere che una struttura ancestrale, derivata dallostesso gruppo di cellule a livello embrionale, si sia evolutasuccessivamente per compiere funzioni diverse e che quindi abbiaassunto anche forme nuove per poter fare ciò. In questo caso si parladi organi omologhi. Nelle piante ad esempio sono omologhe tra lorole foglie, i viticci e le spine, tutte derivanti dalla stessa strutturaembrionale ma specializzatesi successivamente per poter svolgerefunzioni diverse (rispettivamente fotosintesi, sostegno e difesa).Stessa cosa negli animali, dove sono omologhi ad esempio l’aladell’uccello, la zampa del cavallo, la pinna della balena (unmammifero, non un pesce) e il braccio dell’uomo: l’analisi delle ossacomponenti e la loro posizione relativa, accoppiata al loro comunesviluppo embrionale, ne forniscono la prova certa.

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o”Definizione biologica di specie

La definizione più autorevole è quella biologica. Una

specie è un gruppo di individui realmente o

potenzialmente interfecondi, capaci di produrre

prole illimitatamente interfeconda, e che è

riproduttivamente isolato da tutti gli altri gruppi

(Dobzhansky e Mayr). Questa definizione si adattaquasi sempre bene agli animali.

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o”Limiti della definizione biologica

di specie

� É inapplicabile con gli organismi a riproduzioneasessuata (per esempio le piante che si propagano pervia vegetativa)� Presenta alcune falle nel caso dei vegetali che siautofecondano� É inadeguato per quelle popolazioni che praticanoabitualmente inincrocio� È confuso per le specie che possono ibridarsiparzialmente� Ha poca rilevanza per le specie fossili

Applicazione delconcetto biologico

di specie

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o”

Cavallo ed asino NON sono lastessa specie perché sia il mulo(foto grande, prodotto dall'incrociofra un asino ed una cavalla) che ilbardotto (il reciproco) sono sterili.

La classificazionedei viventi

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o”Il concetto di sottospecie

La sottospecie è un gruppo di popolazioni di una specieche condividono con le altre popolazioni della stessaspecie lo stesso habitat e la stessa area geografica. Sonofacilmente distinguibili per uno o molti caratterimorfologici determinati geneticamente ma di norma nonsono isolate riproduttivamente delle altre (anche se cipuò essere una riduzione della vitalità o della fitnessdegli ibridi). Alcuni le considerano popolazioni a metà

strada nel processo evolutivo di divergenza che portaalla completa speciazione.

Come nasce una specie?

Specie iniziale

Isolamento di 2(o più) popolazioni

Cambiamenti genetici e/o morfologici (incompatibilità riproduttiva)

DUE (o più) specie nuove

Specie iniziale

UNA specie nuova

t

e

m

p

o

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o”La speciazione allopatrica

La speciazione geografica o allopatrica si attua quandoincidentalmente un esiguo numero di individui di una datapopolazione viene a trovarsi isolato a causa di una qualche

barriera: pochi semi trasportati accidentalmente in un territorioisolato (per esempio su un'isola), un gruppetto di animali che sitrova improvvisamente separato dalla popolazione madre da unagrossa frana, ecc. Il pool genico della popolazione fondatrice giàinizialmente sarà diversificato per motivi stocastici. Le nuovecondizioni ambientali favoriranno per selezione ulterioricambiamenti genetici, per cui, se l'isolamento permane per unperiodo sufficientemente lungo, la�specie neoformata non sarà piùin grado di incrociarsi con la popolazione a cui un tempoapparteneva, anche se rientrasse� in contatto con questa.

http://www.anisn.it/scienza/evoluzione

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o”

La speciazione simpatricaLa speciazione simpatrica è un processo veloce di diversificazione.

Si realizza, a differenza di quanto accade nel caso della speciazioneallopatrica, quando una nuova specie sorge nello stesso luogo di

residenza di quella genitrice. Anche la speciazione per poliplodia

è un processo simpatrico perché la nuova forma poliploidescaturisce sotto forma di alcuni individui, nel corso di una solagenerazione, a partire da individui diploidi. Il più documentato emeglio teorizzato processo di speciazione simpatrica non-poliploideè quello basato sulle cosiddette razze legate all’ospite, fasiintermedie costituite da insetti che si nutrono di piante. (…)Quando l’evoluzione del nuovo ceppo progredisce a tal punto da farsì che essa si stabilisca saldamente sull’ospite di adozione, ma nontanto da isolarlo riproduttivamente, siamo di fronte a una razzalegata all’ospite che diverrà specie vera e propria solo se sidifferenzierà ulteriormente fino a impedire ogni possibilità diincrocio. http://www.anisn.it/scienza/evoluzione

Confronto tra le due speciazioni

competizione

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Razze e specie artificiali

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La speciazionesimpatrica all’opera

Può bastare una sola mutazione per iniziare un processo di speciazione!

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È un esempio dispeciazione simpatrica.Negli animali lapoliploidia non ètollerata e la cellulapoliploide di solitomuore o diventaneoplastica. Le pianteda questo punto di vistasono molto piùelastiche: un ibrido tradue piante (sterile) puòdiventare fertile inconseguenza della poli-ploidizzazione.

La speciazione per poliploidia

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AutopoliploidiaI poliploidi si formano per aumento (di norma, raddoppio)del numero di cromosomi rispetto alla specieprogenitrice. Probabilmente ciò avviene in seguito alla(erronea!) formazione di gameti diploidi. Poiché tutti icromosomi hanno omologhi, se il carico genetico èsopportabile dallo zigote si formerà un nuovo individuoche, per autofecondazione, può propagarsi. Questoindividuo è isolato riproduttivamente dalla specieprogenitrice perché gli eventuali zigoti derivatidall’incrocio sarebbero triploidi e quindi sterili permancanza di omologhi all’atto della segregazione meiotica.Ad esempio, la Sequoia sempervirens è esaploide (6n)rispetto alla specie più vicina che è 2n=22.

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o”Allopolipliodia

Due specie evolutivamente, e quindi geneticamente, vicinepossono ibridarsi, ma gli ibridi F1 eventualmente vitalisono sterili perché i cromosomi non hanno omologhi inmeiosi e la segregazione è aberrante. Se però, ancora pererrore, si formano dei gameti diploidi (riproduzionesessuata) oppure alcune cellule somatiche poliploidizzano(riproduzione vegetativa, asessuata) e sono vitali, puòformarsi un nuovo individuo che può riprodursi, ma che ègeneticamente (cromosomicamente) incompatibile con ledue specie parentali. Negli animali la speciazione perpoliploidia è rara (qualche pesce e anfibio) e di solitopassa attraverso la partenogenesi (salmoni tetraploidi).

Due esempi pratici di allopoliplodia

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La poliploidia e l’evoluzionedelle piante coltivate

• 1/3 delle piante con fiori sono poliploidi

• La poliploidia spesso aumenta le dimensioni e il vigoredella nuova specie

• Le piante poliploidi sono spesso selezionate per lecoltivazioni

– Tetraploidi: caffè, arachidi

– Ottaploidi: fragole2n8n

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arlo B

o”Analisi genetiche per la tassonomia

Le analisi genetiche sono utili soprattutto per lepopolazioni simpatriche, in particolare per quellemorfologicamente simili. Se i marcatori genetici

analizzati denotano assenza di scambio, si è di fronte a

due specie distinte. Se lo scambio c’è ma è ridotto,bisognerà valutarne volta per volta il valore (flusso genico)e decidere se considerarle separate o no. Ad esempio, duePeripatus morfologicamente simili che vivono sulle stessepiante in Australia hanno differenze fissate nell’86% di 21loci analizzati, e ora sono considerati specie distinte.Contrariamente, se i loci genetici sono tutti in comune, siha a che fare con la stessa specie.

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o”Analisi genetiche per la tassonomia

In caso di popolazioni allopatriche, si parte ovviamentedal presupposto che il flusso genico è vicino a zero. In talcaso la sterilità o scarsa vitalità degli ibridi, quandopossibile (in base al pericolo di estinzione dellapopolazione in esame) può dare la quasi certezza di avere ache fare con specie diverse. Quasi perché anche alcunesottospecie danno tra loro ibridi poco vitali e/o poco fertili.In caso di ibridi vitali e fertili, bisognerà invece valutarecitologicamente (cromosomi, rivedere Muntiacus) emolecolarmente (allozimi, microsatelliti) l’entità dellasomiglianza, per decidere se si è di fronte a semplicipopolazioni separate oppure a sottospecie.

L’esempiodell’orangutan

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o”Due popolazioni, a Sumatrae nel Borneo. Differenze:� morfologiche� mtDNA� allozimi� fingerprinting del DNA� presenza di un’inversionecromosomicama gli ibridi sono fertili

sia in F1 che in F2 quindi

sono solo sottospecie!

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o”Analisi genetiche e tassonomia

� Le differenze cromosomiche, se presenti, evidenti e numerose,forniscono le previsioni migliori sull’isolamento riproduttivo(ma sono poco usate, soprattutto ai nostri giorni);� il mtDNA è il marcatore genetico più usato, ma la suadifferenziazione può essere dovuta (1) a scarsa dispersionefemminile (2), a selezione specifica per certi pattern, (3) alladeriva genetica, quindi è sconsigliabile usare il solo mtDNA

per studi tassonomici.Quindi l’analisi tassonomica dovrebbe utilizzare parecchiparametri per definire una popolazione, tra cui (a) morfologia,(b) comportamento nell’accoppiamento; (c) cariotipo; (d)marcatori genetici nucleari; (e) marcatori genetici mitocondriali.

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o”La distanza genetica

Misura il grado di differenziazione tra individui e/o popolazionidiverse. Maggiore è la differenziazione, maggiore è l’isolamentoriproduttivo. La distanza genetica di Nei (DN) è lo strumentopiù usato. L’indice di identità genetica di Nei (IN) è dato da:

dove pix è la frequenza p dell’allele i nella popolazione X e piy èla frequenza dello stesso allele nella popolazione Y; m è ilnumero di alleli noti a quel locus.

da cui: DN = – ln (IN)

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o”Interpretazione di DN

Se le frequenze p dell’allele nelle due popolazioni sonocirca uguali (pix�piy) allora l’identità genetica tende a 1e la distanza genetica tende a zero.

Se le popolazioni invece non condividono alcun allele,allora l’identità genetica tende a zero e la distanzagenetica tende ad infinito.

Ovviamente, le stime sono tanto più attendibili quantipiù alleli vengono considerati.

Limiti diDN

Il valore stimatodella distanzagenetica di Nei èsolo indicativo;esistono infattisottospecie chehanno valori diDN maggiori diquanto non sianoquelli tra specie!

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o”

Gli alberi filogenetici

Le relazioni evolutive tra le specie possono essere schematizzatetramite un albero filogenetico. In questa rappresentazione, dueorganismi di due specie diverse ma vicine sono collegati tra loroda due segmenti che, sommati, rappresentano la distanzaevolutiva; questi segmenti convergono in un punto (nodo) cherappresenta l’antenato comune più vicino. Questi schemipossono essere costruiti anche con singoli geni, ma chiaramentemaggiore è il numero di loci analizzato, maggiore è

l’affidabilità dell’albero. Come regola generale andrebbero

considerati molti geni ben caratterizzati a livello allelico,

marcatori genetici neutrali, con tasso di mutazione neutrale

(evitare loci ipervariabili tipo MHC o ipovariabili tipo istoni) ed

uguale per i due organismi, e la popolazione originale

dovrebbe essere monomorfica.

Un esempiopratico sulle

civetteaustraliane

23Bubuk Norfolk – Sparviero Rossiccia

21Bubuk Norfolk – Reale Australiana

13Reale Australiana – Sparviero Rossiccia

8Nuova Zelanda – Tasmania

8Bubuk Norfolk – Tasmania

2Bubuk Norfolk – Nuova Zelanda

Differenze

in bp nel

mtDNA

confronto

oggi No NZ Ta ra sr

1 1

3 4 6,5 6,5

7 4,5

t

e

m

p

o

Il valore assoluto del tempo (anni) si calcola in base alla velocità di

accumulo delle mutazioni nel mtDNA (tasso di mutazione, µ).

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o”Limiti degli alberi filogenetici

Gli alberi filogenetici per due o più gruppi di organismi possonodare indicazioni erronee quando:� la selezione agisce in maniera diversa sullo stesso caratterenelle diverse popolazioni;� il tasso di mutazione è diverso per quel carattere nelle varielinee evolutive� il tasso di evoluzione cambia nel tempo� la popolazione di partenza è polimorfica per un carattere (casofrequente!) e le diverse linee evolutive, per campionamentocasuale, fissano un certo allele (lineage sorting)

In generale, è bene affidarsi ad almeno 30 loci

polimorfici allozimici o 20 loci microsatelliti.

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o”La depressione da esoincrocio

Nel caso si abbia a che fare con due popolazioni o duesottospecie della stessa specie, che siano geneticamentedifferenziate, e soprattutto se la differenziazione avviene inseguito ad adattamenti ad habitat diversi, gli ibridi F1 possonoavere una fitness ridotta (per fertilità o vitalità) rispetto ai duegruppi di partenza. È un evento molto importante da considerarequando si vuole cercare di recuperare una popolazione condepressione da inincrocio, esoincrociandola con una popolazionenon depressa. Nel caso della divergenza all’habitat, ad esempio,l’ibrido potrebbe non essere adatto a nessuno dei due habitatdelle popolazioni da cui è originato.

L’esempio delle rane corroboree

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o”Le Pseudophryne

corroboree sono deglianfibi che vivono inAustralia. Nella zonadi ibridazione trapopolazioni del nord edel sud (diverse percolorazione e tipo dialcaloidi cutaneisecreti) il 17% degliibridi hanno anomalielarvali (nelle singolepopolazioni le anoma-lie sono meno del 4%).

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o”La depressione da esoincrocio

Se la differenziazione tra popolazioni è dovuta a derivagenetica, anziché ad adattamento, è probabile che ladepressione da esoincrocio sia poca o nulla.Diventa invece molto marcata quando ladifferenziazione è adattativa e quando la dispersione

delle popolazioni è limitata. Molti esempi in tal sensoin effetti derivano dalle piante (di solito a bassadispersione).

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o”Depressione da esoincrocio e

selezione

Anche se l’incrocio tra le popolazioni determina unadepressione da esoincrocio, la selezione naturale di

solito ripristina rapidamente la fitness e spesso

l’aumenta � gli svantaggi a breve termine sono dinorma ampiamente bilanciati dai vantaggi a mediotermine (eterosi). Fanno eccezione i casi in cui gliibridi F1 siano totalmente sterili o con sopravvivenzaestremamente ridotta (nel qual caso però spesso si è difronte ad un errore tassonomico!)

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o”Le unità di gestione

Se due popolazioni o sottospecie sono sufficientementedifferenziate nelle caratteristiche adattative o nellacomposizione genetica, possono richiedere trattamentiseparati al fine della conservazione. La scelta si fatenendo in considerazione il bilancio tra:

� il costo di mantenere due o più popolazioni al posto diuna sola;� i rischi da depressione da esoincrocio o i beneficiderivanti dalla fusione.

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o”Unità evolutivamentesignificative (ESU)

Una ESU è una popolazione che possiede un’alta

priorità per un intervento di conservazione mirato.Tuttavia una ESU accettabile deve essere dichiarata talesia in seguito a differenze genetiche e molecolari, sia inbase agli adattamenti ad ambienti diversi � se c’è elevatoflusso genico, non ha senso parlare di ESU, così come nonha senso parlarne se le differenze tra popolazioni sonodovute a deriva genetica in popolazioni a scarso flussogenico, nel qual caso ripristinare il flusso dà vantaggi intermini di conservazione.

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o”ESU ed interscambiabilità

Una proposta per definire una ESU consiste nelvalutare se due popolazioni sono interscambiabiliecologicamente e/o geneticamente. Se lo sono inentrambi i casi, non ha senso parlare di ESUdistinte. Altrimenti si valuta caso per caso.Interscambiabili ecologicamente significa che

occupano nicchie ecologiche simili.

Interscambiabili geneticamente significa che le

differenze genetiche tra di esse non sono

statisticamente significative.

Misura dell’interscambiabilità

storico

recenteperiodo ditempo

ecologicagenetica

interscambiabilità

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o”

Il segno + indica divergenza, ossia impossibilità di interscambio.Il segno – indica convergenza, ossia possibilità di interscambio.Si possono formare 16 (24) possibili combinazioni di + e –.Maggiore è il numero di +, maggiore è il differenziamento,minore è l’interscambiabilità.

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o”Come mettere + e –

L’interscambiabilità genetica è esclusa (segno +) quando c’èevidenza di flusso genico limitato, mentre è accettabile (segno – )se c’è evidenza di flusso genico tra le popolazioni. L’analisi, alsolito, va ripetuta per numerosi loci.L’interscambiabilità ecologica è esclusa (segno +) quando c’èevidenza di differenziazione (per selezione naturale o derivagenetica) mentre è accettabile in caso contrario (segno –).La scala temporale serve invece a distinguere differenziazionievolutive vere (storico) dagli effetti di recenti isolamenti(recente); inoltre permette di distinguere un contatto secondario(recente) da un flusso genico di lunga durata (storico).