La evolución de los cromosomas sexuales en los saltahojas

En muchos grupos de animales, ciertos cromosomas se conocen como Cromosomas sexuales, y juegan un papel clave en determinar el género de un individuo. Por ejemplo, en algunas especies, un tipo de cromosoma sexual (como el X o Z) tiende a tener muchos genes y mantenerse activo, mientras que el otro tipo (como el Y o W) puede perder genes y volverse menos útil con el tiempo. Este proceso puede llevar a desafíos al intentar cambiar estos cromosomas sexuales por versiones nuevas.

Cuando los tipos de cromosomas sexuales cambian, como de un sistema XY a un sistema ZW, a veces aparecen individuos con dos cromosomas Y, lo que hace que este cambio sea complicado si esos individuos no son fuertes y saludables. Esta idea ha sido respaldada por varios estudios que comparan diferentes especies, mostrando que muchas especies con cromosomas sexuales más antiguos tienden a mantener sus cromosomas sexuales estables por mucho tiempo, incluyendo aves, insectos y mamíferos. Sin embargo, se han notado algunas excepciones donde esto no se cumple.

Por el contrario, también hay grupos que mantienen el mismo tipo de cromosomas sexuales, lo que puede permitir cambios más rápidos en la identidad y función de estos cromosomas. El grado exacto en que los cromosomas sexuales necesitan diferir para causar problemas y si esto afecta a todos los cromosomas de la misma manera sigue siendo incierto.

Excepcionalmente, casos donde los cromosomas sexuales se fusionan con cromosomas regulares pueden llevar a nuevos cromosomas sexuales y refrescar el paisaje genético relacionado con el sexo. Tales fusiones pueden tener efectos significativos en cómo se comportan los genes, ya sea alterando los propios genes o cambiando cómo trabajan los genes que están vinculados durante la reproducción.

Se piensa que diferentes factores influyen en estas fusiones, incluyendo selecciones que favorecen un género sobre el otro y fenómenos genéticos que ocurren durante la formación de células reproductivas. Sin embargo, aún no está claro cuál de estos factores juega un papel más grande, y esta variación parece diferir entre distintos grupos de animales. Identificar los cambios en el genoma que llevan a estos eventos, junto con lo que impulsa estos cambios, es importante para entender cómo evolucionan los cromosomas sexuales.

Los insectos ofrecen una gran oportunidad para estudiar cómo estas fusiones afectan la evolución de los cromosomas sexuales. Muchos insectos muestran alteraciones frecuentes en sus Genomas, indicando que las fusiones entre cromosomas regulares y sexuales podrían ocurrir a menudo, especialmente si hay algún beneficio. Si bien muchos insectos muestran estos nuevos cromosomas sexuales, aún se desconoce si la tasa de estas fusiones coincide con los patrones de cambio vistos a través del genoma.

Hay evidencia de que el Cromosoma X en insectos se mantiene estable durante largos períodos. Sin embargo, la presencia de nuevos cromosomas sexuales varía mucho entre diferentes grupos de insectos.

Para entender mejor qué tan estables o cambiantes son los cromosomas sexuales, estudiamos los genomas de 13 especies de chicharras de árbol. Estos insectos son conocidos por sus formas y estructuras únicas. En comparación con otros grupos de insectos, la investigación sobre cómo las chicharras de árbol evolucionan genéticamente ha sido menos extensa. En las chicharras de árbol, la configuración común de los cromosomas sexuales muestra que las hembras tienen dos cromosomas X, mientras que los machos tienen uno. Sin embargo, algunas especies de chicharras de árbol también muestran configuraciones diferentes con sistemas XY, sugiriendo la aparición de nuevos cromosomas Y con el tiempo. Las chicharras de árbol también tienen diferentes números de cromosomas totales, lo que indica un frecuente reordenamiento genético.

Aquí, juntamos un mapa genético detallado para una especie de chicharra de árbol, Umbonia crassicornis, y generamos mapas genéticos para 12 especies más. Esto nos permitió explorar los vínculos entre fusiones de cromosomas y la evolución de los cromosomas sexuales. Queríamos ver si la estabilidad a largo plazo del cromosoma X que se encuentra en otros insectos también era cierta para las chicharras de árbol.

#Ensamblaje del genoma de Umbonia crassicornis

Creamos el primer ensamblaje genético detallado para Umbonia crassicornis usando herramientas genéticas avanzadas. Esto resultó en un tamaño de genoma de 1.2 Gb. La mayoría de este genoma cae dentro de solo unas pocas partes grandes, lo que sugiere que corresponde al número de cromosomas encontrado en esta especie. De hecho, la parte más grande de este mapa genético parece provenir de la fusión de dos cromosomas regulares en uno.

#Identificación de secuencias ligadas a X

Luego, usamos el genoma ensamblado de Umbonia crassicornis para encontrar su cromosoma X. Al estudiar la información genética de especímenes machos y hembras, determinamos que el cromosoma 10 es el cromosoma X basándonos en los patrones esperados de cobertura genética entre los sexos.

Luego recopilamos información genética de las otras 12 especies de chicharras de árbol, que también varían en sus configuraciones cromosómicas. Usamos los mismos métodos para identificar los cromosomas ligados a X y los cromosomas regulares en estas especies. Al comparar estas secuencias con nuestro mapa genético original, encontramos que la mayoría de ellas correspondían al cromosoma X de Umbonia, apoyando la idea de un cromosoma X conservado en las chicharras de árbol a lo largo de millones de años de evolución.

#Fusiones Cromosómicas en Calloconophora

Sin embargo, hubo algunas diferencias. En una especie de chicharra de árbol, Calloconophora, encontramos patrones claros que indican una fusión entre un cromosoma sexual y uno de los cromosomas regulares. El trabajo genético confirmó que Calloconophora tiene tanto un cromosoma X como un Y, y el cromosoma X es notablemente más grande que el Y, lo que sugiere que probablemente contiene material de un cromosoma regular.

Esta fusión significa que Calloconophora ha pasado de un sistema ancestral a un nuevo sistema de determinación del sexo con sus cromosomas neo-X y neo-Y. Con el tiempo, la capacidad de los cromosomas para intercambiar material genético probablemente ha disminuido en este nuevo sistema, lo que puede llevar a mayores diferencias entre los dos nuevos cromosomas.

#Prueba de conservación de X

Dada la conservación del cromosoma X ancestral en las chicharras de árbol, queríamos investigar cómo se compara este X con los de otras familias de insectos. Comparamos el cromosoma X de Umbonia crassicornis con los de un chicharra de hoja y un saltahojas y encontramos que el X ancestral también está presente en estos grupos. Esto suma a la evidencia que sugiere que el cromosoma X se ha mantenido estable en un rango más amplio de insectos durante amplios períodos de tiempo.

#Conclusión

Nuestros hallazgos muestran que el cromosoma X permanece en gran medida constante entre las especies de chicharras de árbol, incluso a lo largo de millones de años. También identificamos un caso donde una fusión llevó a la formación de un nuevo sistema de cromosomas sexuales en Calloconophora. Este trabajo, combinado con los genomas de insectos existentes, revela la continua homología del X ancestral de las chicharras de árbol a través de diferentes insectos, indicando su conservación a largo plazo a lo largo de la evolución.

#Métodos

Para recopilar nuestras muestras, recolectamos chicharras de árbol machos y hembras de varios lugares. Una vez que obtuvimos las muestras, extrajimos ADN usando métodos estándar en nuestro laboratorio. Luego secuenciamos el ADN usando tecnología genética avanzada para obtener los datos necesarios.

Para Umbonia crassicornis, ensamblamos el genoma usando un individuo específico criado en laboratorio y usamos métodos adicionales para mejorar la calidad del ensamblaje. También empleamos técnicas avanzadas para visualizar los cromosomas de ciertas especies y confirmar características estructurales importantes.

Para nuestro análisis, buscamos patrones en la cobertura genética que indican la presencia de cromosomas sexuales frente a cromosomas regulares. Usamos recursos genéticos disponibles y comparamos las secuencias entre diferentes especies para establecer conexiones y validar nuestros hallazgos.

En general, nuestro proyecto resalta la naturaleza dinámica de la evolución genética, particularmente en lo que respecta a los cromosomas sexuales, y abre nuevas avenidas para entender cómo estos elementos cruciales de la biología persisten y cambian con el tiempo en el mundo de los insectos.