DISCUSIÓN
Determinamos aquí los tamaños genómicos de 25 especies quironómidas; estos valores eran congruentes con los tamaños genómicos de las tres especies reportadas previamente en la literatura (Petitpierre, 1996; Schmidt-Ott et al., 2009), que estaban comprendidos entre 0,13 y 0,21 pg de ADN. Los resultados de este estudio mostraron que los tamaños del genoma de los quironómidos eran uniformemente muy pequeños (Fig. 3, cuadro 1). El valor C medio obtenido para la familia Chironomidae es 0,13 + 0.ADN de 03 pg, que es claramente más pequeño que el tamaño del genoma de D. melanogaster. El tamaño del genoma más pequeño entre los insectos se ha registrado en Strepsiptera Caenocholax fenyesi con aproximadamente 0,11 pg de ADN (que corresponde aproximadamente a 108 Mb), aunque también se sugirió que la mosca de la arpía Mayetiola destructor tenía un tamaño del genoma aún más pequeño de 0,09 pg (Johnston et al., 2004; Gregory, 2014). Aquí, reportamos al menos tres especies con genomas más pequeños que cualquier insecto conocido: C. tsushimensis, Diamesa japonica e Hydrobaenus tsukubalatus, con valores C de 0,07 pg, 0,08 pg y 0,08 pg, respectivamente (Tabla 1). Hasta donde sabemos, C. tsushimensis (Fig. 1B) puede considerarse que tiene el tamaño del genoma más pequeño de cualquier insecto conocido, con un valor C de 0,07 pg de ADN, que corresponde aproximadamente a 68 Mb. Este valor es congruente con el tamaño del genoma de una especie relacionada, Clunio marinus, que se estimó una vez en 95 Mb y más recientemente en 87,2 Mb (Kaiser y Heckel, 2012; Tobias S. Kaiser, comunicación personal).
Recientemente, se secuenció el genoma del mosquito antártico, B. antarctica (Kelley et al., 2014). Los autores afirmaron que el tamaño del genoma de esta especie, estimado en 89.5-105 Mb, fue el más pequeño de todos los insectos. Sin embargo, mostramos aquí que este tamaño del genoma está comprendido dentro del rango normal de los valores quironómidos. Los autores también sugirieron que el pequeño tamaño del genoma de B. antarctica era una adaptación al ambiente extremadamente frío. Nuestros datos pueden corroborar esta hipótesis, ya que D. japonica, una especie alpina de la subfamilia Diamesinae, también presenta un tamaño de genoma minúsculo. Otro Diamesinae relacionado, el midge del Himalaya Diamesa sp. en realidad, se encontró que estaba activo a temperaturas tan bajas como -16°C (Kohshima, 1984). Sin embargo, el Telmatogeton japonicus, que también es capaz de desarrollarse a temperaturas muy bajas (Danks, 1971; Sunose y Fujisawa, 1982), muestra un tamaño de genoma relativamente grande, en comparación con el promedio de la familia quironómida. Una influencia filogenética en el tamaño del genoma debe tenerse en cuenta aquí, ya que B. antarctica pertenece a la subfamilia Orthocladiinae, que presenta tamaños de genoma pequeños en promedio. Las especies C. tsushimensis y Hydrobaenus tsukubalatus, que muestran los tamaños de genoma más pequeños entre los quironómidos, también pertenecen a la subfamilia Orthocladiinae. Por lo tanto, el pequeño tamaño del genoma de B. la antártida puede constituir simplemente un rasgo ancestral, no el resultado de una adaptación al frío extremo.
P. vanderplanki es la única especie de insecto conocida que alcanza la anhidrobiosis en un estado completamente deshidratado (Fig. 1D) y recuperarse después de la rehidratación (Hinton, 1951, 1960a; Watanabe, 2006; Cornette y Kikawada, 2011). Nuestro grupo de investigación publicó recientemente un análisis comparativo de las secuencias genómicas de Polypedilum vanderplanki tolerante a la desecación y Polypedilum nubifer congénero sensible a la desecación (Gusev et al., 2014). La comparación mostró que ambas especies tenían tamaños de genoma similares y que solo un conjunto limitado de grupos de genes duplicados estaba relacionado con la anhidrobiosis en P. vanderplanki (Gusev et al., 2014). Los tamaños del genoma inferidos a partir del ensamblaje del genoma fueron de 104 Mb para P. vanderplanki y de 107 Mb para P. nubifer y estos valores no se diferenciaron notablemente de los tamaños del genoma medidos para estas especies en el presente estudio, que correspondieron a aproximadamente 98 Mb. P. vanderplanki y P. los genomas nubíferos mostraron una proporción baja similar de repeticiones de ADN y solo se encontró un pequeño número de elementos transponibles, en comparación con otras especies de dípteros. Esta reducción de la proporción de elementos transponibles también se observó en el mosquito antártico, B. antarctica (Kelley et al., 2014). La longitud media de los intrones también se redujo considerablemente en el mosquito antártico y en P. vanderplanki y P. nubifer (Gusev et al., 2014). Desde la sensible a la desecación y congelación intolerantes P. las nubíferas comparten estas características con el mosquito antártico y el mosquito anhidrobiótico, una baja proporción de elementos transponibles y una corta longitud intrónica pueden constituir una característica compartida por todos los quironómidos y puede no estar directamente relacionada con la tolerancia a ambientes extremos, incluso si no se puede excluir un efecto adaptativo.
Fig. 3.
Filogenia de dípteros mostrando valores C estimados. El Chironomid familia se muestra en negro. La línea de guion muestra el tamaño del genoma de D. melanogaster. El cladograma filogenético es un consenso de diferentes quironómidos y dípteros (Yeates y Wiegmann, 1999, 2005; Saether, 2000; Cranston et al., 2012). Las barras de errores muestran la desviación estándar. Los tamaños de genoma sin barras de error se obtuvieron de estudios anteriores incluidos en la Base de Datos de Tamaño de Genoma Animal (Gregory, 2014).
Fig. 4.
Relación entre el tamaño corporal y el tamaño del genoma entre las especies quironómidas investigadas en el presente estudio. A) Para cada especie, la longitud corporal total media se indica en milímetros y el valor C medio se expresa en ADN pg. Solo se observó una correlación positiva débil (r2 = 0,171, n = 25), materializada por una línea sólida, entre las dos variables. (B) A nivel de género, los medios de los mismos valores se transformaron mediante el método de contrastes filogenéticamente independientes, basado en la filogenia de Cranston et al. (2012). La correlación entre estos contrastes transformados, materializados por una línea sólida, no fue significativa (r2 = 0,118, n = 13). El análisis de los datos se realizó en Prism 4.0 software para Macintosh (GraphPad Software, Inc.).
¿Cuáles podrían ser los rasgos adaptativos potencialmente asociados con los diminutos tamaños de genoma de la familia Chironomidae? De hecho, se ha sugerido que varios factores ecológicos y de desarrollo se correlacionan con el tamaño del genoma. En primer lugar, se ha encontrado una correlación positiva entre el tamaño del genoma y el tamaño corporal en muchos taxones y esta correlación aparece como un fenómeno relativamente general (Gregory, 2005). Esta correlación también se ha reportado en mosquitos (Ferrari y Rai, 1989), pero no siempre está clara en otros taxones de insectos (Gregory y Hebert, 2003; Ardila-García y Gregory, 2009). Dentro de los quironómidos, solo encontramos una correlación positiva débil entre el tamaño del genoma y el tamaño corporal (Fig. 4A). El valor C medio para el género Chironomus (0,15 pg) fue mayor que el del género Polypedilum (0,10 pg), y esta diferencia puede atribuirse al tamaño corporal generalmente mayor de la especie Chironomus. Sin embargo, la distancia filogenética entre ambos géneros también podría explicar esta diferencia de tamaños de genoma. En consecuencia, corregimos nuestros datos a nivel de género con análisis de contrastes filogenéticamente independientes (Garland y Adolph, 1994; Garland et al., 2005) y como resultado, la correlación entre el tamaño del genoma y el tamaño corporal resultó no ser significativa (Fig. 4B). El estrecho rango de tamaños del genoma quironómido (solo dos o tres veces) y el tamaño corporal pequeño promedio de estas especies (la mayoría no excede unos pocos milímetros) probablemente dificulten encontrar correlación entre ambos rasgos dentro de la familia Quironómidos.
Entre los insectos, se sugirió otra correlación entre el tamaño del genoma y la complejidad del desarrollo. Mientras que los insectos hemimetabólicos, con mudas graduales de ninfas solamente, muestran una amplia gama de tamaños de genoma (valores C de 0,18 a 16.93 pg), los insectos holometabólicos con su metamorfosis compleja tienen valores C restringidos dentro de un supuesto umbral de 2 pg, para la mayoría de ellos (Gregory, 2002, 2005). La influencia de la complejidad del desarrollo en el tamaño del genoma es aquí obvia porque los insectos holometabolosos experimentan una remodelación morfológica intensiva durante el tiempo limitado de la metamorfosis y un tamaño pequeño del genoma presenta ventajas para lograr divisiones celulares a un ritmo alto. Los quironómidos son insectos holometabólicos y su metamorfosis es extremadamente rápida. Su etapa de pupa puede durar solo un día, o incluso solo unas pocas horas para ciertas especies (Cranston, 1995c). Por ejemplo, C. tsushimensis muestra una metamorfosis compleja con dimorfismo sexual pronunciado (Fig. 1B).
La relación entre el tamaño del genoma y la tasa de división celular también influye en la tasa de desarrollo. Por ejemplo, se sugirió que el rápido ciclo de vida de los áfidos estaba relacionado con el pequeño tamaño de su genoma (Ma et al., 1992). Por lo tanto, los tamaños de genoma pequeños deberían constituir una ventaja para las especies quironómidas que se desarrollan rápidamente en entornos temporales. Los quironómidos del género Clunio pueden convertirse en charcos temporales de marea y también mostrar la aparición sincronizada de los adultos en relación con el ciclo lunar y durante la corta ventana de la marea baja (Kaiser y Heckel, 2012). Para lograrlo, debería ser necesaria una alta tasa de desarrollo. Nótese que los pequeños anélidos de poliquetos que se desarrollan rápidamente en ambientes intersticiales similares muestran tamaños de genoma más pequeños que las especies macrobénticas (Gambi et al., 1997). Para los mosquitos antárticos, como B. antarctica o Eretmoptera murphyi (Lee et al., 2006; Worland, 2010), el desarrollo larvario dura dos años, en su mayoría detenido en un estado congelado, pero la metamorfosis y la reproducción deben ocurrir durante el período de verano muy corto. En este caso, se necesita una alta tasa de desarrollo y esto puede verse facilitado por el pequeño genoma de B. antarctica. Este fenómeno fue ilustrado por un estudio en plantas de angiospermas, mostrando que las especies capaces de completar su ciclo de vida durante el corto verano antártico presentaron los tamaños de genoma más pequeños (Bennett et al., 1982). Otro extremo, el mosquito anhidrobiótico P. vanderplanki, está adaptado a pozas de roca efímeras. Una vez más, la alta tasa de desarrollo en un hábitat temporal puede estar relacionada con el pequeño tamaño del genoma de esta especie. Sin embargo, la especie australiana P. tonnoiri, que también está expuesta a la desecación en piscinas de rocas similares (Jones, 1975; Adams, 1985; Frouz et al., 2003), muestra un tamaño de genoma relativamente grande para un quironómido (Fig. 3 y cuadro 1).
También es probable que las tensiones abióticas influyan en la integridad del ADN y, como consecuencia, en el tamaño del genoma. Por ejemplo, larvas de P. vanderpianki experimenta daños masivos en el ADN después de la anhidrobiosis y se produce una reparación eficiente del ADN durante los pocos días posteriores a la rehidratación (Gusev et al., 2010). En plantas, se encontró una correlación negativa entre el tamaño del genoma y la tolerancia a la radiación (Bennett y Leitch, 2005) y la tasa de mutación también fue menor en especies con menor tamaño del genoma (Abrahamson et al., 1973). En consecuencia, el pequeño tamaño del genoma de P. vanderpianki puede representar una ventaja para evitar la acumulación de mutaciones perjudiciales durante los eventos de reparación del ADN asociados con ciclos de desecación y rehidratación. Como especie marina, C. tsushimensis también está expuesta a un alto estrés de salinidad, que es letal para la mayoría de las especies de insectos. Se sabe que la alta salinidad y otras tensiones abióticas generan especies reactivas intracelulares de oxígeno (ROS), que se sugirieron como una fuente principal de daño al ADN (Franca et al., 2007; Gill y Tuteja, 2010). Esto también podría estar relacionado con el tamaño pequeño del genoma. Sin embargo, otras especies marinas y tolerantes a la salinidad alta, como T. japonicus o Chironomus salinarius, no muestran tamaños de genoma tan pequeños como C. tsushimensis. Especies tolerantes a los ácidos, como Chironomus sulfurosus, Chironomus acerbiphilus o Polypedilum tamanigrum (Fig. 1C) puede sobrevivir en aguas termales con un pH tan bajo como 1,4 (Doi et al., 2004; Takagi et al., 2005). Una vez más, no se pudo observar una correlación clara entre la tolerancia al estrés ácido y el tamaño pequeño del genoma y la influencia filogenética parecía más importante, con un tamaño del genoma más pequeño para el género Polypedilum y tamaños del genoma más grandes en el género Chironomus.
Para concluir, los diminutos tamaños de genoma observados en quironómidos son probablemente el resultado de una reducción ancestral del número de elementos transponibles y de la longitud de los intrones en su estructura genómica. Entre la familia Chironomidae, los tamaños del genoma diferían de acuerdo con la filogenia a nivel de subfamilia y a nivel de género. Como se infiere de las correlaciones en varios taxones, el pequeño tamaño del genoma de los quironómidos teóricamente podría haber constituido una preadaptación a entornos inestables y extremos a través de una alta tasa de desarrollo y una baja tasa de mutación. Esperamos que este estudio fomente futuros proyectos del genoma quironómido y que la genómica comparativa dentro de este taxón ayude a comprender cómo los genomas quironómidos interactúan con su entorno.