Tendencias Científicas
Una hembra de 'Scaptomyza flava', en una hoja de 'Arabidopsis thaliana', de la familia de la mostaza. Imagen: Noah Whiteman. Fuente: Universidad de Arizona.
Para la mayoría de nosotros, el cambio a una dieta vegetariana puede ser cuestión de una resolución de Año Nuevo y una buena cantidad de fuerza de voluntad, pero para toda una especie, es un proceso mucho más complicado: tan complicado que los biólogos evolucionistas han tenido dificultades para entenderlo durante mucho tiempo.
Investigadores de la Universidad de Arizona (Tucson, EE.UU.) han echado un vistazo detrás de la cortina de la evolución para saber lo que sucede cuando una especie de insecto cambia drásticamente su forma de vida. Los procesos que descubrieron implican una remodelación nunca vista en los genes, las conductas y la dieta. Los resultados, publicados en Proceedings of the National Academy of Science (PNAS), es probable que le hagan reflexionar sobre cuestiones evolutivas la próxima vez que se encuentre una mosca de la fruta flotando en su copa de vino.
Las especies de insectos herbívoros representan la mitad de todas las especies de insectos conocidas, pero el cambio de una dieta no vegetal a la herbívora tuvo lugar en sólo un tercio de los órdenes de insectos vivos. Esa discrepancia ha tenido desconcertados a los biólogos durante mucho tiempo.
"Esto implica que la transición a la dieta herbívora sucedió raramente, pero cuando ocurrió, resultó ser un gran impulso para la especiación, provocando la evolución de un número desproporcionado de especies en ese grupo", explica en la información de la universidad Benjamin Goldman-Huertas, investigador en el Departamento de Ecología y Biología Evolutiva de la UA, y autor principal del artículo.
Hipótesis
Una de las posibles respuestas es que las plantas son muy difíciles de colonizar, señala Noah Whiteman, profesor ayudante de ecología y biología evolutiva y co-autor del estudio. Para protegerse de sus depredadores, las plantas han desarrollado un arsenal de defensas, como espinas, una dura "piel" exterior, o compuestos que hacen que sus tejidos sean no digeribles, desagradables o incluso fatalmente tóxicos para los insectos que intentan alimentarse de ellos.
"La mayoría de los insectos que comen plantas son parásitos", explica Whiteman. "No son como los elefantes vagando por la sabana y arrancando hojas aquí y allá. Los insectos han desarrollado formas de superar esas defensas, pero a costa de convertirse en altamente especializados. Muchas especies de insectos herbívoros están muy especializadas, hasta el punto de que los animales tienen a gastar todo su ciclo de vida en sus plantas huéspedes.
"El cambio de alimentarse de microbios, carne en descomposición o de otros insectos, a centrarse en las plantas, requiere que los insectos encuentren la manera de acercarse a las plantas, depositar sus huevos y mantener sus larvas vivas en ellas. Queríamos poner a prueba la hipótesis de que esta transición requiere cambios drásticos en el comportamiento, que a su vez requieren la remodelación de los procesos genéticos y neurológicos subyacentes a dichas conductas".
Investigadores de la Universidad de Arizona (Tucson, EE.UU.) han echado un vistazo detrás de la cortina de la evolución para saber lo que sucede cuando una especie de insecto cambia drásticamente su forma de vida. Los procesos que descubrieron implican una remodelación nunca vista en los genes, las conductas y la dieta. Los resultados, publicados en Proceedings of the National Academy of Science (PNAS), es probable que le hagan reflexionar sobre cuestiones evolutivas la próxima vez que se encuentre una mosca de la fruta flotando en su copa de vino.
Las especies de insectos herbívoros representan la mitad de todas las especies de insectos conocidas, pero el cambio de una dieta no vegetal a la herbívora tuvo lugar en sólo un tercio de los órdenes de insectos vivos. Esa discrepancia ha tenido desconcertados a los biólogos durante mucho tiempo.
"Esto implica que la transición a la dieta herbívora sucedió raramente, pero cuando ocurrió, resultó ser un gran impulso para la especiación, provocando la evolución de un número desproporcionado de especies en ese grupo", explica en la información de la universidad Benjamin Goldman-Huertas, investigador en el Departamento de Ecología y Biología Evolutiva de la UA, y autor principal del artículo.
Hipótesis
Una de las posibles respuestas es que las plantas son muy difíciles de colonizar, señala Noah Whiteman, profesor ayudante de ecología y biología evolutiva y co-autor del estudio. Para protegerse de sus depredadores, las plantas han desarrollado un arsenal de defensas, como espinas, una dura "piel" exterior, o compuestos que hacen que sus tejidos sean no digeribles, desagradables o incluso fatalmente tóxicos para los insectos que intentan alimentarse de ellos.
"La mayoría de los insectos que comen plantas son parásitos", explica Whiteman. "No son como los elefantes vagando por la sabana y arrancando hojas aquí y allá. Los insectos han desarrollado formas de superar esas defensas, pero a costa de convertirse en altamente especializados. Muchas especies de insectos herbívoros están muy especializadas, hasta el punto de que los animales tienen a gastar todo su ciclo de vida en sus plantas huéspedes.
"El cambio de alimentarse de microbios, carne en descomposición o de otros insectos, a centrarse en las plantas, requiere que los insectos encuentren la manera de acercarse a las plantas, depositar sus huevos y mantener sus larvas vivas en ellas. Queríamos poner a prueba la hipótesis de que esta transición requiere cambios drásticos en el comportamiento, que a su vez requieren la remodelación de los procesos genéticos y neurológicos subyacentes a dichas conductas".
Moscas
Para encontrar respuestas, los autores estudiaron la especie de mosca Scaptomyza flava, un pariente cercano de la mosca de la fruta, Drosophila melanogaster. A diferencia de sus primos, que a menudo son vistos sobrevolando en busca de fruta pasada, las moscas Scaptomyza no esperan tanto tiempo.
Las hembras buscan plantas saludables de la familia de la mostaza, perforan agujeros minúsculos en sus hojas, beben el jugo de la planta que se filtra a través de ellos y depositan sus huevos en las hojas. Al nacer, las larvas mastican su camino a través de las hojas, haciendo diminutos túneles a medida que avanzan, y a veces incluso matan a la planta.
Para estudiar a las moscas con más detalle, Goldman-Huertas colaboró con investigadores del grupo de John Hildebrand, del Departamento de Neurociencias de la UA, lo que les permitió medir las respuestas eléctricas generadas en las antenas de los insectos por sus receptores olfativos, al presentárseles a los animales diferentes aromas.
"Es como obtener registros de la población de células receptoras de la nariz", explica Hildebrand. "Buscamos señales eléctricas que indiquen que las células receptoras de las antenas han reconocido y respondido a un determinado estímulo oloroso. Si no vemos una señal, significa que la antena no responde a ese compuesto."
Dichos ensayos neurológicos, combinados con observaciones de comportamiento, revelaron que el olor de la levadura, que se nutre de la fruta podrida y es un gran atrayente para la Drosophila, deja frías a las moscas Scaptomyza. Por el contrario, "es muy sensible al compuesto responsable del olor de la hierba recién cortada, que es habitual en las plantas con hojas", señala Whiteman.
Goldman-Huertas lanzó la hipótesis de que los genes olfativos que están involucrados en olfatear la levadura deben no estar ya en la Scaptomyza, y, de hecho, no pudieron encontrar muchos de ellos en ninguna de las poblaciones que analizaron.
Según Whiteman, la preferencia de las moscas por compuestos asociados con la levadura y la fermentación alcohólica está considerado un estado más ancestral que la preferencia de Scaptomyza por las plantas frescas. "Las especies de moscas de la fruta que flotan en su copa de vino representan en realidad 100 millones de años de evolución, porque los mecanismos sensoriales se conservan en las especies que son atraídas por el vino", añade.
Base genética
Para el estudio de las bases genéticas de las preferencias alimentarias de las moscas, los investigadores se aprovecharon del parentesco cercano de Scaptomyza con D. melanogaster, cuyo sistema olfativo es el más estudiado de todos los animales.
"Scaptomyza es un modelo muy útil para estudiar bases genéticas porque, por un lado, está estrechamente relacionada con D. melanogaster, pero por otro lado, ha divergido evolutivamente", recalca Whiteman. "En estas moscas, la herbivoría ha evolucionado en los últimos 20 millones de años, como máximo. Los cambios son lo suficientemente recientes para que seamos capaces de detectarlos y compararlos con sus especies hermanas no herbívoras, como D. melanogaster".
"Pero la pérdida de comportamientos no te hace pasar a nuevas formas de alimentación, por lo también tuvieron que adquirir nuevos comportamientos", aclara.
De hecho, el equipo descubrió un grupo de genes de receptores olfativos que han sufrido una cantidad desproporcionada de cambios de secuencia. "Esto sugiere que la evolución darwiniana ha cambiado la función de estos genes", comenta Whiteman.
"La comprensión de cómo pueden tener lugar estos cambios ecológicos puede tener enormes consecuencias económicas y en la salud", opina Goldman-Huertas. "La Scaptomyza flava es una plaga emergente que está afectando a la colza en Europa y a las plantas de mostaza en Nueva Zelanda".
"O fijémonos en los mosquitos Anopheles que transmiten la malaria. ¿Cómo empezaron a alimentarse de los humanos? O en el escarabajo de la patata, que originalmente se alimentaba de otras plantas de la familia. ¿Cómo se produjo ese cambio? Cómo toman sus decisiones los insectos afecta a la vida, la salud y el bienestar de las personas".
Para encontrar respuestas, los autores estudiaron la especie de mosca Scaptomyza flava, un pariente cercano de la mosca de la fruta, Drosophila melanogaster. A diferencia de sus primos, que a menudo son vistos sobrevolando en busca de fruta pasada, las moscas Scaptomyza no esperan tanto tiempo.
Las hembras buscan plantas saludables de la familia de la mostaza, perforan agujeros minúsculos en sus hojas, beben el jugo de la planta que se filtra a través de ellos y depositan sus huevos en las hojas. Al nacer, las larvas mastican su camino a través de las hojas, haciendo diminutos túneles a medida que avanzan, y a veces incluso matan a la planta.
Para estudiar a las moscas con más detalle, Goldman-Huertas colaboró con investigadores del grupo de John Hildebrand, del Departamento de Neurociencias de la UA, lo que les permitió medir las respuestas eléctricas generadas en las antenas de los insectos por sus receptores olfativos, al presentárseles a los animales diferentes aromas.
"Es como obtener registros de la población de células receptoras de la nariz", explica Hildebrand. "Buscamos señales eléctricas que indiquen que las células receptoras de las antenas han reconocido y respondido a un determinado estímulo oloroso. Si no vemos una señal, significa que la antena no responde a ese compuesto."
Dichos ensayos neurológicos, combinados con observaciones de comportamiento, revelaron que el olor de la levadura, que se nutre de la fruta podrida y es un gran atrayente para la Drosophila, deja frías a las moscas Scaptomyza. Por el contrario, "es muy sensible al compuesto responsable del olor de la hierba recién cortada, que es habitual en las plantas con hojas", señala Whiteman.
Goldman-Huertas lanzó la hipótesis de que los genes olfativos que están involucrados en olfatear la levadura deben no estar ya en la Scaptomyza, y, de hecho, no pudieron encontrar muchos de ellos en ninguna de las poblaciones que analizaron.
Según Whiteman, la preferencia de las moscas por compuestos asociados con la levadura y la fermentación alcohólica está considerado un estado más ancestral que la preferencia de Scaptomyza por las plantas frescas. "Las especies de moscas de la fruta que flotan en su copa de vino representan en realidad 100 millones de años de evolución, porque los mecanismos sensoriales se conservan en las especies que son atraídas por el vino", añade.
Base genética
Para el estudio de las bases genéticas de las preferencias alimentarias de las moscas, los investigadores se aprovecharon del parentesco cercano de Scaptomyza con D. melanogaster, cuyo sistema olfativo es el más estudiado de todos los animales.
"Scaptomyza es un modelo muy útil para estudiar bases genéticas porque, por un lado, está estrechamente relacionada con D. melanogaster, pero por otro lado, ha divergido evolutivamente", recalca Whiteman. "En estas moscas, la herbivoría ha evolucionado en los últimos 20 millones de años, como máximo. Los cambios son lo suficientemente recientes para que seamos capaces de detectarlos y compararlos con sus especies hermanas no herbívoras, como D. melanogaster".
"Pero la pérdida de comportamientos no te hace pasar a nuevas formas de alimentación, por lo también tuvieron que adquirir nuevos comportamientos", aclara.
De hecho, el equipo descubrió un grupo de genes de receptores olfativos que han sufrido una cantidad desproporcionada de cambios de secuencia. "Esto sugiere que la evolución darwiniana ha cambiado la función de estos genes", comenta Whiteman.
"La comprensión de cómo pueden tener lugar estos cambios ecológicos puede tener enormes consecuencias económicas y en la salud", opina Goldman-Huertas. "La Scaptomyza flava es una plaga emergente que está afectando a la colza en Europa y a las plantas de mostaza en Nueva Zelanda".
"O fijémonos en los mosquitos Anopheles que transmiten la malaria. ¿Cómo empezaron a alimentarse de los humanos? O en el escarabajo de la patata, que originalmente se alimentaba de otras plantas de la familia. ¿Cómo se produjo ese cambio? Cómo toman sus decisiones los insectos afecta a la vida, la salud y el bienestar de las personas".
Referencia bibliográfica:
Benjamin Goldman-Huertas, Robert F. Mitchell, Richard T. Lapoint, Cécile P. Faucher, John G. Hildebrand, Noah K. Whiteman. Evolution of herbivory in Drosophilidae linked to loss of behaviors, antennal responses, odorant receptors, and ancestral diet. Proceedings of the National Academy of Sciences (2015). DOI: 10.1073/pnas.1424656112
Benjamin Goldman-Huertas, Robert F. Mitchell, Richard T. Lapoint, Cécile P. Faucher, John G. Hildebrand, Noah K. Whiteman. Evolution of herbivory in Drosophilidae linked to loss of behaviors, antennal responses, odorant receptors, and ancestral diet. Proceedings of the National Academy of Sciences (2015). DOI: 10.1073/pnas.1424656112
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