Aplicación de métodos para la inferencia filogenética en el estudio

Aplicación de métodos para la inferencia filogenética en el estudio

Aplicación de métodos para la inferencia filogenética en el
estudio de las relaciones entre Cetartiodáctilos: un acercamiento
basado en morfología y ADN
Javier Enrique Colmenares Pinzón (2071178)
Silvia Ximena Vásquez (2071661)
Edgar Pedraza Leguizamo (2071157)
Olmer Julian Toloza Moreno (2071405)
RESUMEN
La inconclusa posición filogenética asignada a los Cetáceos por distintos autores ilustra el conflicto
entre la información potencial que puede extraerse a partir de datos moleculares y morfológicos, más
aún cuando se trata de grupos con un amplio registro fósil. Usando un set de datos de 635
caracteres morfológicos y 7981 moleculares registrados para 78 taxa exploramos las relaciones
filogenéticas del grupo en conjunto referenciado como Cetartiodactyla, mediante técnicas de Maxima
Parsimonia, Maximum Likelihood e inferencia Bayesiana. Aunque las topologías basadas en
caracteres moleculares obtenidas mediante ML sostienen la relación de Cetaceamorpha con
Hippopotamidae, su poder de resolución se limita a la parte histórica reciente del grupo mientras que
los análisis de evidencia total con MP e IB, aunque soportan la monofilia de Artiodactylamorpha, no
contradicen ni aclaran con certeza la relación entre Cetaceamorpha e Hippopotamidae .
INTRODUCCIÓN
Los Cetáceos son un grupo de mamíferos acuáticos cosmopolitas típicos de ecosistemas marinos y
dulceacuícolas [17]. Numerosos análisis filogenéticos basados en moléculas, morfología y una
combinación de los dos, sugieren una inestabilidad en las relaciones de las ballenas con otros grupos
que ha ido creciendo con el incremento del registro fósil de su paso de la vida en la tierra a la vida
acuática. Mediante el presente trabajo buscamos abordar la problemática y con el uso de diferentes
métodos de inferencia filogenética resolver dos cuestiones de interés particular: es Cetartiodactyla un
grupo monofilético? ¿Cuál es el grupo hermano de los cetá ceos?
MATERIALES Y MÉTODOS
Se utilizó como punto de referencia para el presente trabajo la matriz compilada y recodificada por [1]
para un total de 71 taxa y 635 caracteres morfológicos. Se seleccionaron como caracteres
moleculares 3 genes nucleares (RAG1, PRM1, LALBA) y 3 mitocondriales (NADH, CYTB, 12S) con
base en [1,2] y se recopilaron secuencias de ADN de al menos uno de estos 6 caracteres para 26 de
los taxa existentes de [1] y para 7 taxa complementarios usando GenBank y BLASTN. Asumiendo en
algunos casos monofilia de especies y de géneros, de los 78 taxa utilizados, 76 fueron registrados a
nivel de género y los dos restantes a nivel de familia. Oryceteropus, Tapirus, Equus y Rhinocerotidae
se usaron como outgroups.
Se realizó un análisis de sensibilidad en el programa POY [3] aplicando la misma estrategia de
búsqueda a cada partición y a la combinación de las mismas y variando las tasas de transición,
transversión y gap mediante 3 sets de costos diferentes (1:1:1; 1:2:2 y 1:2:4). Se calculó el Índice de
Incongruencia de Longitudes [4] y el costo con mínima incongruencia se seleccionó como el “mejor”
para realizar un análisis de máxima parsimonia más profundo para la evidencia total con una
búsqueda de Wagner (Build=125), un swap mediante alternancia de TBR y SPR y un bootstrap
paramétrico de 100.
Después del alineamiento de las secuencias de ADN de cada partición en el programa SeaView
versión 4.3.3 [5] se utilizó el programa JModelTest versión 0.1.1 [6] para hallar el modelo de
sustitución de cada una implementando el criterio de información de Akaike (AIC). Posteriormente se
ejecutó un análisis de Maximum Likelihood en el programa PhyML versión 3.0 [7] para cada partición
y finalmente, para la evidencia total, se corrió un análisis de inferencia filogenética Bayesiana durante
10 millones de generaciones con el programa MrBayes versión 3.2 [8] utilizando 4 cadenas de
Markov) y una frecuencia de muestreo de 10 mil. Para este último análisis 13 taxa fósiles fueron
omitidos para obtener una mejora en el tiempo computacional.
RESULTADOS
El análisis de diferentes esquemas de costos en las búsquedas con POY indicó mínima
incongruencia entre particiones cuando se asignó el mismo costo a sustituciones y gaps (1:1:1) y un
peso de 1 a la morfología según lo indicado por el valor del Índice de Incongruencia de Longitudes
(ILD=0,1106). En cuanto al análisis de evidencia total, el consenso estricto de los árboles más
parsimoniosos, con una longitud mínima de 16.213 pasos, evidenció la monofilia de
Artiodactylamorpha con un valor de soporte de bootstrap no paramétrico de 0,71 corroborando así la
primera hipótesis del presente trabajo (Figura 1). Sin embargo, como lo muestra la topología, dentro
de este gran grupo fueron incluidos taxa tradicionalmente usados como outgroups (†Phenacodus,
†Hyracotherium, †Hyopsodus y Orycteropus), lo cual surge como resultado irregular en
contraposición a las topologías consenso de trabajos como el de [1,9,10]. Pese a esto, los valores de
soporte de los nodos indican que las posiciones de dichos taxa no se recupera ron en más del 12% de
las pseudoreplicas. Pese a que claramente se distingue a Cetaceamorpha como el grupo más
anidado dentro de Artiodactylamorpha, la obtención de una respuesta clara respecto a su monofilia
fue difícil debido a la posición inusual de Physeter y Megaptera, que fue inestable según algunas
politomias recuperadas en uno de los árboles más parsimoniosos. Sin embargo, la agrupación de los
cetáceos restantes está soportada por un valor de Bootstrap de 0,16 siendo †Ambulocetus el
miembro más basal. Los mayores valores de soporte, recuperados en lo nodos que agrupan los
cetáceos más anidados, pueden ser el reflejo de la buena disponibilidad de información para los taxa
en todas las particiones (Tabla 2). Los valores de Bootstrap no soportan la monofilia del clado extinto
Mesonychia, sin embargo, según los resultados de máxima parsimonia se trata del grupo basal de
Cetaceamorpha y por lo tanto el más cercanamente relacionado en acuerdo con [1,11,12]. La
posición de †Mesonychia ha sido ampliamente cuestionada sobre todo después del reporte de la
aparición de esqueletos fosilizados de ballenas arcaicas con características diagnós ticas de los
Artiodáctilos [14,15]. Este último autor, al igual que [9,10,13], presenta una topología en la cual
†Mesonychia es excluido totalmente de Artiodactylamorpha, hecho atribuido a la inclusión de dicho
material fósil en los análisis. Sin embargo, en [1] la misma inclusión no altera la posición de
†Mesonychia como grupo hermano de Cetaceamorpha y su anidamiento dentro d e
Artiodactylamorpha al igual que en nuestros análisis. Las relaciones de Cetaceomorpha con algún
taxón viviente no están claramente definidas en la topología.
El grupo más cercano
((Potamochoerus+Sus)Lama) resulta de una asociación no común entre un mie mbro de la familia
Camelidae y dos miembros de la familia Suidae, lo cual posiblemente explique el valor de soporte
para el nodo (BS=0,03), mientras que si se ignoran estos nodos poco soportados se podría hablar de
una relación cercana entre Hippopotamidae+Merycopotamus (cuyo clado está soportado con un valor
de Bootstrap de 0,46) y Cetaceamorpha, constituyendo de esta forma el grupo Cetancodonta,
comúnmente reportado en otros análisis [1,9,10,12,15]. Aunque es apresurado hablar de resultados
contundentes, a grandes rasgos la segunda hipótesis del presente trabajo es corroborada mediante el
análisis de máxima parsimonia efectuado en POY para la evidencia total.
Por otra parte, en cuanto al análisis de inferencia bayesiana , la topología consenso resultante
muestra la carencia de resolución en un gran número de nodos y por lo tanto la inestabilidad en la
posición de muchos taxa (Figura 2). Atribuimos lo anterior principalmente a que el análisis corrido
durante 10 millones de generaciones no alcanzó una desviación estándar de las frecuencias de
divergencia cercana a 0,01, valor sugerido por [8] como referencia de convergencia. Al igual que en
el análisis de máxima parsimonia de manera general se evidencia la monofilia de Artiodactylamorpha
con un valor de probabilidad posterior de 0,99, sin embargo, la inclusión inestable de taxa utilizados
como outgroups surge como resultado irregular tal y como sucede con el consenso de MP. Aunque
es clara la inclusión de Cetaceamorpha dentro de Artiodactylamorpha, la monofilia del clado no está
clara debido a las posiciones inestables de Megaptera , Physeter, †Pakicetidae, †Ambulocetus y
†Rodhocetus, sin embargo si se ignoraran estos taxa, el grupo de las ballenas está soportado por un
valor de PP de 1. Contrario a los resultados obtenidos con MP, la relación de Cetaceamorpha con
otros grupos no está bien definida debido a la polaridad de la topología en cuyo caso a un lado de
este clado se ubican los Ruminantios (PP=0,94) y al otro lado Hippopotamidae+Merycopotamus
(PP=0,84).
En el análisis ML se obtuvieron seis topologías diferentes (Figura 3) construidas a partir de los
modelos evolutivos seleccionados según el criterio Akaike para cada gen (12S y RAG1=GTR +Γ),
(CYTOB Y NADH=GTR +I +Γ), (LACT =HKY +Γ) y (PROT1 =TPM1uf +Γ). Se evidencia en la mayoría
de ellas la monofilia de Cetartiodactyla con soporte >80%, en acuerdo con lo reportado por
[1,18,19,20], siendo las obtenidas a partir de CYTOB y NADH las que resuelven más claramente el
anidamiento de Cetacea dentro de Artiodactyla al igual que su relación cercana con Hippopotamidae
con valores de soporte de 73% y 67% respectivamente.
CONCLUSIONES
Aunque en parte los resultados obtenidos en el presente estudio concuerdan con los de otros autores,
existen notables incongruencias entre las técnicas de análisis filogenéticos cuando se usan o bien
datos moleculares o datos morfológicos independientemente. Si bien las relaciones entre taxa
existentes pueden resolverse mediante la inclusión de caracteres moleculares, la reconstrucción de
los nodos más basales depende de la inclusión de caracteres morfológicos de taxa fósiles lo cual en
el caso de Cetartiodactyla también permite la reconstrucción de la historia ligada al paso de una vida
terrestre a una vida acuática. Por lo anterior, análisis filogenéticos usando matrices de evidencia total
pueden conjugar las bondades de los datos moleculares y morfológicos siempre y cuando el
muestreo de caracteres sea completo y la aplicación de los métodos lo más rigurosa posible . En el
presente estudio se dio un paso a la comprensión de la problemática de la reconstrucción de
relaciones filogenéticas y aunque se muestra la monofilia de Artiodactylamorpha y las relaciones de
Cetaceomorpha con otros clados, aún existen problemas limitando una mejor resolución de la
topología que deben ser mejorados a futuro.
REFERENCIAS
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FIGURAS Y TABLAS
Figura 1. Consenso estricto (Longitud=16.213) del análisis de MP en POY. Se muestran los valores de
soporte de Bootstrap en los nodos. Se cree que la monofilia de Artiodactylamorpha está reportada
(BS=0,71) pese a la inclusión irregular de los outgroups. † Mesonychia es el grupo más relacionado con
Cetaceamorpha mientras que Hippopotamidae sea posiblemente el taxón viviente más emparentado
con las ballenas.
Figura 2. Consenso de la mayoría obtenido mediante IB en MrBayes. Los valores de probabilidad posterior
aparecen para cada nodo. Se aprecia claramente la inestabilidad de numerosos taxa, especialmente fósiles.
Se soporta la monofilia de Artiodactylamorpha (PP=0,99). Las relaciones de Cetaceomorpha con algún otro
grupo son difusas.
Figura 3. Comparación de las topologías obtenidas en el análisis de ML para cada gen. Se aprecian
discrepancias entre genes nucleares y mitocondriales en la resolución de las relaciones de Cetáceos con
otros grupos.
Tablas 1 y 2.
RAG1
TAXA
Orycteropus
Odobenus
Equus
Tapirus
Rhinocerotidae
Lama
Camelus
Pecari
Sus
Potamochoerus
Babyrousa
Tragulus
Moschus
Antilocapra
Giraffa
Cervus
Odocoileus
Ovis
Bos
Hippopotamus
Balaenoptera
Megaptera
Eubalaena
Kogia
Physeter
Ziphius
Pontoporia
Inia
Sotalia
Grampus
Delphinapterus
Monodon
Tursiops
RAG1
JN414911
PRTM 1
-----
AY239184
AY726547
AY239186
AY059705
-------------
---
EU189425
EU189410
EU189404
-----
-------------
JN414895
EU189419
AY122033
JN414861
EU189418
EU189401
-------
AY239177
FJ900270
AF447520
GU394038
AY011909
AY011878
AY239185
AY011910
AY239183
EU189411
LALBA
---
NADH
---
CYTB
---
12s
NC_002078.1
EF465501
NC_004029.2
GU174611.1
AJ428576.2
-------
NC_001788
NC_001788.1
AJ428947.1
AF145734
X97336.1
JF718877.1
-------
AJ007814
AP003426
AP003426.1
AY012144.1
AP003423.1
AP003423.1
GU598215.1
AP003427
AP003427.1
AY546515.1
DQ518915
NC_014692.1
GQ338938.1
AY534300.1
GQ338939.1
Z50106
GQ338943.1
AY121994
AY121991
AY121995
AY121988
AY122014
-----------
AF091629
AF091706
AY122015
AP003424
AY121992
AY121986
AY122017
NC_007704
AJ000021
AF091707
AY122022.
AP003423.1
AF091630
AF091708.1
AY122026
DQ320087
AF034730
AF091699
AY122023
NC_006853
V00654
V00654
GQ368528
AY122012
NC_000889
Y08813
Y08810
EU445017
EU444931
AY398656
NC_001601
X61145
X61145
AF447522
EU444929
AY398651
AY398624
X75584a
AP006467.1
GQ368545
GQ368526
AY398660
NC_006930.1
X75587a
AP006473
JN414901
GQ368525
AF304096
AJ554055.1
AJ554055.1
AJ554055.1
JN414858
EU444927
AF304098
AJ277029
AJ277029.2
NC_002503.2
EU445014
EU444928
AF228412
AY398623
AF304075.1
U13101.1
EU189407
GQ368530
AF304093
---
AJ554060.1
AJ554060.1
EU189406
GQ368529
AF304092
NC_005276.1
AJ554059.1
NC_005276.1
JF505023
JF505012
AF304091
---
AF304067.1
AF304055.1
GQ368537
GQ368513
EU121196
EU557095.1
AF084059.1
EU557095.1
GQ368540
GQ368517
AF228409
AY398628.1
X92531a
---
EU189405
GQ368516
AJ007812
NC_005279.1
U72038.1
AJ554062.1
GQ368532
GQ368508
EU121185
EU557093
X92526.1
EU557093.1
JN414893
EU189399
Tabla 1 (Izquierda). Terminales, particiones y números de acceso a
GenBank
Tabla 2 (Derecha). Particiones de los datos. Los cuadros negros
indican que se obtuvo información (secuencias y morfología)
Orycteropus
Odobenus
Hyopsodus †
Phenacodus †
Hyracotherium †
Equus
Tapirus
Rhinocerotidae
Protoceras †
Poebrotherium †
Lama
Camelus
Perchoerus †
Pecari
Xenohyus †
Sus
Potamochoerus
Hylochoerus †
Babyrousa
Protungulatum †
Diacodexis a †
Diacodexis b †
Cainotherium †
Leptomeryx †
Tragulus
Moschus
Antilocapra
Giraffa
Cervus
Odocoileus
Ovis
Bos
Merycoidodon †
Agriochoerus †
Libycosaurus †
Anthracokeryx †
Microbunodon †
Bothriogenys †
Elomeryx †
Merycopotamus †
Choeropsis
Hippopotamus
Siamotherium †
Achaenodon †
Andrewsarchus †
Indohyus †
Brachyhyops †
Archaeotherium †
Gobiohyus †
Helohyus †
Eoconodon †
Sinonyx †
Harpagolestes a †
Harpagolestes b †
Mesonyx†
Dissacus a †
Dissacus b †
Pachyaena †
Hapalodectes †
Pakicetidae †
Artiocetus †
Ambulocetus †
Rodhocetus †
Dorudon †
Basilosaurus †
Balaenoptera
Megaptera
Eubalaena
Kogia
Physeter
Ziphius
Pontoporia
Inia
Sotalia
Grampus
Delphinapterus
Monodon
Tursiops
PRTM 1 LALBA NADH CYTB 12s Morfo