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 puede correlacionarse con la duración de la supervivencia de una especie. [1] Se distingue de la variabilidad genética , que describe la tendencia de las características genéticas a variar.
La diversidad genética sirve como una forma de que las poblaciones se adapten a los cambios ambientales. Cuanto mayor sea la variación, más probable será que algunos individuos de una población posean variaciones de alelos que sean adecuadas para el entorno. Esos individuos tienen más probabilidades de sobrevivir para producir descendencia que porte ese alelo. La población se mantendrá durante más generaciones debido al éxito de esos individuos. [2]
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 entornos que seleccionan diferentes alelos en un locus particular. Esto puede ocurrir, por ejemplo, si una especie tiene un rango grande en relación con 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 .
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Un estudio realizado por la National Science Foundation en 2007 concluyó que la diversidad genética (diversidad dentro de las 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 cualquier tipo del sistema, el ciclo puede romperse y la comunidad queda dominada por una sola especie". [3] 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 muy estructurada y correlacionada con la variación y el estrés ambientales . [4]
La interdependencia entre la diversidad genética y la diversidad 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 . [2] La pérdida de diversidad genética en las poblaciones de animales domésticos también se ha estudiado y se ha atribuido a la extensión de los mercados y la globalización económica . [5] [6]
La diversidad genética neutral consiste en genes que no aumentan la aptitud y no son responsables de la adaptabilidad. [7] La selección natural no actúa sobre estos genes neutrales. [7] La diversidad genética adaptativa consiste en genes que aumentan la aptitud y son responsables de la adaptabilidad a los cambios en el medio ambiente. [7] Los genes adaptativos son responsables de los rasgos ecológicos, morfológicos y de comportamiento. [8] La selección natural actúa sobre los genes adaptativos que permiten que los organismos evolucionen. [7] La tasa de evolución de los genes adaptativos es mayor que la de los genes neutrales debido a la influencia de la selección. [8] Sin embargo, ha sido difícil identificar alelos para los genes adaptativos y, por lo tanto, la diversidad genética adaptativa se mide con mayor frecuencia de forma indirecta. [7] Por ejemplo, la heredabilidad se puede medir como o la diferenciación poblacional adaptativa se puede medir como . [7] Puede ser posible identificar genes adaptativos a través de estudios de asociación de todo el genoma analizando datos genómicos a nivel de población. [9]
La identificación de la diversidad genética adaptativa es importante para la conservación porque el potencial adaptativo de una especie puede determinar si sobrevive o se extingue , especialmente a medida que cambia el clima . [7] [10] Esto se ve magnificado por la falta de comprensión de si la baja diversidad genética neutral está correlacionada con una alta deriva genética y una alta carga de mutación . [10] En una revisión de la investigación actual, Teixeira y Huber (2021), descubrieron que algunas especies, como las del género Arabidopsis , parecen tener un alto potencial adaptativo a pesar de sufrir una baja diversidad genética en general debido a graves cuellos de botella . [10] Por lo tanto, las especies con baja diversidad genética neutral pueden poseer una alta diversidad genética adaptativa, pero como es difícil identificar genes adaptativos, una medición de la diversidad genética general es importante para planificar los esfuerzos de conservación y una especie que ha experimentado una rápida disminución de la diversidad genética puede ser muy susceptible a la extinción. [10] [9]
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 un entorno cambiante, lo que resulta en un aumento de la diversidad genética (si se selecciona y se mantiene una nueva mutación ) o una disminución de la diversidad genética (si se selecciona en contra de un alelo desventajoso). [11] Por lo tanto, la diversidad genética juega un papel importante en la supervivencia y adaptabilidad de una especie. [12] La capacidad de la población para adaptarse al entorno cambiante dependerá de la presencia de la diversidad genética necesaria. [13] [14] Cuanto mayor sea la diversidad genética de una población, mayor será la probabilidad de que pueda 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. [15] Por ejemplo, la incapacidad de los koalas para adaptarse para luchar contra la clamidia y el retrovirus del koala (KoRV) se ha relacionado con la baja diversidad genética del koala. [16] Esta baja diversidad genética también preocupa a los genetistas por la capacidad de los koalas de adaptarse al cambio climático y a los cambios ambientales inducidos por el hombre en el futuro. [16]
Las poblaciones grandes tienen más probabilidades de mantener el material genético y, por lo tanto, generalmente tienen una mayor diversidad genética. [11] Las poblaciones pequeñas tienen más probabilidades de experimentar la pérdida de diversidad con el tiempo por casualidad, lo que es un ejemplo de 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. [17] En poblaciones pequeñas, es más probable que se produzca endogamia o 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. [18] Por lo tanto, las preocupaciones sobre la diversidad genética son especialmente importantes con los grandes mamíferos debido a su pequeño tamaño poblacional y los altos niveles de efectos poblacionales causados por los humanos. [16]
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 sigue 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. [19] Esta es una consideración importante en el área de la genética de la conservación , cuando se trabaja para lograr una población o especie rescatada que sea genéticamente saludable.
Las mutaciones aleatorias generan variación genética de manera consistente . [11] Una mutación aumentará la diversidad genética en el 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 mutaciones nuevas tienen un efecto neutral o negativo en la aptitud, mientras que algunas tienen un efecto positivo. [11] Es más probable que una mutación beneficiosa persista y, por lo tanto, tenga un efecto positivo a largo plazo en la diversidad genética. Las tasas de mutación difieren en todo el genoma, y las poblaciones más grandes tienen mayores tasas de mutación. [11] En poblaciones más pequeñas, es menos probable que una mutación persista porque es más probable que se elimine por la deriva. [11]
El flujo genético , a menudo mediante migración, es el movimiento de material genético (por ejemplo, mediante el polen en el viento o la migración de un ave). El flujo genético puede introducir nuevos alelos en una población. Estos alelos pueden integrarse en la población, aumentando así la diversidad genética. [20]
Por ejemplo, en los mosquitos africanos Anopheles gambiae surgió una mutación resistente a los insecticidas . La migración de algunos mosquitos A. gambiae a una población de mosquitos Anopheles coluzziin dio lugar a una transferencia del gen de resistencia beneficioso de una especie a la otra. La diversidad genética aumentó en A. gambiae por mutación y en A. coluzziin por flujo genético. [21]
Cuando los seres humanos empezaron a cultivar, utilizaron la cría 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. La escasa o nula diversidad genética hace que los cultivos sean extremadamente susceptibles a enfermedades generalizadas; las bacterias se transforman y cambian constantemente y cuando una bacteria causante de enfermedades cambia para atacar una variación genética específica, puede acabar fácilmente con grandes cantidades de la especie. Si la variación genética que la bacteria ataca mejor resulta ser la que los seres humanos han criado selectivamente para utilizarla en la cosecha, se aniquilará todo el cultivo. [22]
La Gran Hambruna del siglo XIX en Irlanda fue causada en parte por la falta de biodiversidad. Como las nuevas plantas de papa no surgen como resultado de la reproducción, sino de fragmentos de la planta madre, no se desarrolla diversidad genética y todo el cultivo 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 papas para su alimentación. Plantaron, en particular, la variedad de papa "lumper", que era susceptible a un oomiceto causante de podredumbre llamado Phytophthora infestans . [23] 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 sólo se relaciona con las enfermedades, sino también con los herbívoros . De manera similar al ejemplo anterior, la agricultura de monocultivo selecciona rasgos 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 del cultivo. [24] [25] Una forma en que los agricultores evitan esto es mediante el cultivo intercalado . 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 de propagarse por toda la parcela. [26] [27] [28]
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 programas de cría selectiva y permite que las poblaciones de ganado se adapten a los cambios en las condiciones ambientales. [29]
La biodiversidad del ganado puede perderse como resultado de la extinción de razas y otras formas de erosión genética . En 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 Alimentación y la Agricultura ( FAO ), el 17 por ciento estaban clasificadas como en riesgo de extinción y el 7 por ciento ya estaban extintas. [29] Ahora existe un Plan de Acción Mundial para los Recursos Genéticos Animales 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 genéticos animales.
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 mundiales para la alimentación y la agricultura , que incluyen análisis detallados de nuestra diversidad ganadera mundial y de la capacidad para gestionarla y conservarla.
Al diseñar vacunas, se debe tener en cuenta la alta diversidad genética de los virus. Esta diversidad dificulta el diseño de vacunas dirigidas y permite que los virus evolucionen rápidamente para resistir la letalidad de las vacunas. Por ejemplo, las vacunas contra la malaria se ven afectadas por los altos niveles de diversidad genética en los antígenos proteicos. [30] Además, la diversidad genética del VIH-1 limita el uso de las pruebas de carga viral y resistencia disponibles actualmente. [31]
Las poblaciones de coronavirus tienen una considerable diversidad evolutiva debido a la mutación y la recombinación homóloga . [32] Por ejemplo, la secuenciación de 86 muestras de coronavirus SARS-CoV-2 obtenidas de pacientes infectados reveló 93 mutaciones que indican la presencia de una considerable diversidad genética. [33] La replicación del genoma de ARN del coronavirus está catalizada por una ARN polimerasa dependiente de ARN . Durante la replicación, esta polimerasa puede sufrir un cambio de plantilla, una forma de recombinación homóloga. [34] Este proceso, que también genera diversidad genética, parece ser una adaptación para hacer frente al daño del genoma de ARN. [35]
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 al plancton, llevan genes de otros organismos además de los suyos propios. Cuando un virus que contiene los genes de una célula infecta a otra, la composición genética de esta última cambia. Este cambio constante de la composición genética ayuda a mantener una población saludable de plancton a pesar de los cambios ambientales complejos e impredecibles. [36]
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. [37] Sin embargo, recientemente se ha descubierto que las hembras de guepardo pueden aparearse con más de un macho por camada de cachorros. Experimentan una ovulación inducida, lo que significa que se produce un nuevo óvulo cada vez que una hembra se aparea. Al aparearse con varios machos, la madre aumenta la diversidad genética dentro de una sola camada de cachorros. [38]
Los intentos de aumentar la viabilidad de una especie mediante el aumento de la diversidad genética se denominan rescate genético. Por ejemplo, ocho panteras de Texas se introdujeron en la población de panteras de Florida , que estaba en declive y sufría depresión endogámica. De este modo, se aumentó la variación genética y se produjo un aumento significativo del crecimiento de la población de la pantera de Florida. [39] La creación o el mantenimiento de una alta diversidad genética es una consideración importante en los esfuerzos de rescate de especies, a fin de garantizar la longevidad de una población.
La diversidad genética de una población se puede evaluar mediante algunas medidas simples.
Además, el software de simulación estocástica se utiliza comúnmente para predecir el futuro de una población dadas medidas como la frecuencia de alelos y el tamaño de la población. [41]
La diversidad genética también se puede medir. Las distintas formas registradas de medir la diversidad genética incluyen: [42]
{{cite book}}: |journal=ignorado ( ayuda )La tasa de cambio evolutivo (R) está determinada principalmente por la variación genética cuantitativa.