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12: Diversidad de la población - Biología

12: Diversidad de la población - Biología


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Una población es un grupo de individuos de la misma especie que comparten aspectos de su genética o demografía más estrechamente entre sí que con otros grupos de individuos de esa especie (donde la demografía es la característica estadística de la población, como el tamaño, la densidad, el nacimiento y tasas de mortalidad, distribución y movimiento de la migración).

La diversidad de la población puede medirse en términos de la variación en las características genéticas y morfológicas que definen las diferentes poblaciones. La diversidad también puede medirse en términos de la demografía de las poblaciones, como el número de individuos presentes y la representación proporcional de diferentes clases de edad y sexos. Sin embargo, puede ser difícil medir la demografía y la genética (por ejemplo, frecuencias alélicas) para todas las especies. Por tanto, una forma más práctica de definir una población y medir su diversidad es por el espacio que ocupa. En consecuencia, una población es un grupo de individuos de la misma especie que ocupan un área definida al mismo tiempo (Hunter, 2002: 144). El área ocupada por una población se define de manera más efectiva por los límites ecológicos que son importantes para la población (por ejemplo, una región particular y un tipo de vegetación para una población de escarabajos, o un estanque particular para una población de peces).

El rango geográfico y la distribución de las poblaciones (es decir, su estructura espacial) representan factores clave en el análisis de la diversidad de la población porque dan una indicación de la probabilidad de movimiento de organismos entre poblaciones y el posterior intercambio genético y demográfico. De manera similar, una estimación del tamaño total de la población proporciona una medida de la diversidad genética potencial dentro de la población; las poblaciones grandes suelen representar reservas genéticas más grandes y, por tanto, una mayor diversidad potencial.

Las poblaciones aisladas, con niveles muy bajos de intercambio, muestran altos niveles de divergencia genética (Hunter, 2002: 145) y exhiben adaptaciones únicas a las características bióticas y abióticas de su hábitat. La diversidad genética de algunos grupos que generalmente no se dispersan bien, como los anfibios, los moluscos y algunas plantas herbáceas, puede estar restringida principalmente a las poblaciones locales (Avise, 1994). Por esta razón, la retracción del rango de especies puede conducir a la pérdida de poblaciones locales y la diversidad genética que contienen. Algunos científicos consideran que la pérdida de poblaciones aisladas junto con su componente único de variación genética es una de las tragedias más grandes pero más olvidadas de la crisis de la biodiversidad (Ehrlich y Raven 1969).

Las poblaciones se pueden clasificar según el nivel de divergencia entre ellas. Las poblaciones aisladas y genéticamente distintas de una sola especie pueden denominarse subespecies según algunos conceptos de especies (pero no todos). Las poblaciones que muestran menos divergencia genética pueden reconocerse como variantes o razas. Sin embargo, las distinciones entre subespecies y otras categorías pueden ser algo arbitrarias (ver Diversidad de especies).

Una especie que está vinculada ecológicamente a un hábitat irregular y especializado probablemente puede asumir la distribución irregular del hábitat en sí, con varias poblaciones diferentes distribuidas a diferentes distancias entre sí. Este es el caso, por ejemplo, de especies que viven en humedales, zonas alpinas en las cimas de las montañas, tipos particulares de suelos o tipos de bosques, manantiales y muchas otras situaciones comparables. Los organismos individuales pueden dispersarse periódicamente de una población a otra, facilitando el intercambio genético entre las poblaciones. Este grupo de poblaciones diferentes pero interconectadas, con cada población diferente ubicada en su propio y discreto parche de hábitat, se denomina metapoblación.

Puede haber niveles bastante diferentes de dispersión entre las poblaciones constituyentes de una metapoblación. Por ejemplo, es poco probable que un parche de población grande o superpoblado pueda sustentar mucha inmigración de poblaciones vecinas; Sin embargo, puede actuar como una fuente de dispersión de individuos que se alejarán para unirse a otras poblaciones o crear nuevas. Por el contrario, es poco probable que una población pequeña tenga un alto grado de emigración; en cambio, puede recibir un alto grado de inmigración. Una población que requiere inmigración neta para mantenerse actúa como un sumidero. La extensión del intercambio genético entre las poblaciones fuente y sumidero depende, por lo tanto, del tamaño de las poblaciones, la capacidad de carga de los hábitats donde se encuentran las poblaciones y la capacidad de los individuos para moverse entre hábitats. En consecuencia, comprender cómo los parches y sus poblaciones constituyentes están organizados dentro de la metapoblación, y la facilidad con la que los individuos pueden moverse entre ellos es clave para describir la diversidad de la población y conservar la especie. Para obtener más información, consulte el módulo sobre metapoblaciones.

Glosario

Población
un grupo de individuos de la misma especie que comparten aspectos de su demografía o genética más estrechamente entre sí que con otros grupos de individuos de esa especie
Una población también puede definirse como un grupo de individuos de la misma especie que ocupan un área definida al mismo tiempo (Hunter, 2002: 144).
Metapoblación
un grupo de poblaciones diferentes pero interconectadas, con cada población diferente ubicada en su propio parche de hábitat discreto
Fuente
un parche de población, en una metapoblación, desde el cual los individuos se dispersan a otros parches de población o crean otros nuevos
Hundir
un parche de población, en una población meta que no tiene un alto grado de emigración fuera de sus fronteras, sino que, en cambio, requiere inmigración neta para sostenerse
Demografía
las características estadísticas de la población tales como tamaño, densidad, tasas de natalidad y mortalidad, distribución y movimiento o migración.

La biodiversidad

La biodiversidad es el variedad biológica y variabilidad de la vida en la Tierra. La biodiversidad es una medida de variación a nivel genético, de especies y de ecosistema. [1] La biodiversidad terrestre suele ser mayor cerca del ecuador, [2] que es el resultado del clima cálido y la alta productividad primaria. [3] La biodiversidad no se distribuye uniformemente en la Tierra y es más rica en los trópicos. [4] Estos ecosistemas de bosques tropicales cubren menos del diez por ciento de la superficie terrestre y contienen alrededor del noventa por ciento de las especies del mundo. [5] La biodiversidad marina suele ser mayor a lo largo de las costas del Pacífico occidental, donde la temperatura de la superficie del mar es más alta, y en la banda de latitud media en todos los océanos. [6] Hay gradientes latitudinales en la diversidad de especies. [6] La biodiversidad generalmente tiende a agruparse en puntos críticos, [7] y ha ido aumentando con el tiempo, [8] [9] pero es probable que disminuya en el futuro como resultado principal de la deforestación. [10]

Los cambios ambientales rápidos suelen causar extinciones masivas. [11] [12] [13] Se estima que más del 99,9 por ciento de todas las especies que alguna vez vivieron en la Tierra, que ascienden a más de cinco mil millones de especies, [14] están extintas. [15] [16] Las estimaciones sobre el número de especies actuales de la Tierra oscilan entre 10 millones y 14 millones, [17] de los cuales se han documentado alrededor de 1,2 millones y más del 86 por ciento aún no se han descrito. [18] La cantidad total de pares de bases de ADN relacionados en la Tierra se estima en 5.0 x 10 37 y pesa 50 mil millones de toneladas. [19] En comparación, se ha estimado que la masa total de la biosfera es de hasta cuatro billones de toneladas de carbono). [20] En julio de 2016, los científicos informaron haber identificado un conjunto de 355 genes del Último Ancestro Común Universal (LUCA) de todos los organismos que viven en la Tierra. [21]

La edad de la Tierra es de unos 4.540 millones de años. [22] [23] [24] La evidencia indiscutible más antigua de vida en la Tierra data de hace al menos 3.500 millones de años, [25] [26] [27] durante la Era Eoarcaica después de que una corteza geológica comenzara a solidificarse después de la fusión anterior. Hadean Eon. Hay fósiles de esteras microbianas en arenisca de 3480 millones de años descubierta en Australia Occidental. [28] [29] [30] Otra evidencia física temprana de una sustancia biogénica es el grafito en rocas meta-sedimentarias de 3.700 millones de años descubiertas en el oeste de Groenlandia. [31] Más recientemente, en 2015, se encontraron "restos de vida biótica" en rocas de 4.100 millones de años en Australia Occidental. [32] [33] Según uno de los investigadores, "si la vida surgiera relativamente rápido en la Tierra ... entonces podría ser común en el universo". [32]

Desde que comenzó la vida en la Tierra, cinco grandes extinciones masivas y varios eventos menores han provocado caídas grandes y repentinas de la biodiversidad. El eón fanerozoico (los últimos 540 millones de años) marcó un rápido crecimiento de la biodiversidad a través de la explosión del Cámbrico, un período durante el cual apareció por primera vez la mayoría de los filos multicelulares. [34] Los siguientes 400 millones de años incluyeron pérdidas masivas y repetidas de biodiversidad clasificadas como eventos de extinción masiva. En el Carbonífero, el colapso de la selva tropical provocó una gran pérdida de vida vegetal y animal. [35] El evento de extinción Pérmico-Triásico, hace 251 millones de años, fue la peor recuperación de vertebrados que tomó 30 millones de años. [36] El evento de extinción más reciente, el Cretácico-Paleógeno, ocurrió hace 65 millones de años y a menudo ha atraído más atención que otros porque resultó en la extinción de los dinosaurios no aviares. [37]

El período transcurrido desde la aparición de los seres humanos ha mostrado una reducción constante de la biodiversidad y la consiguiente pérdida de diversidad genética. Llamada la extinción del Holoceno, la reducción se debe principalmente a los impactos humanos, en particular a la destrucción del hábitat. [38] Por el contrario, la biodiversidad tiene un impacto positivo en la salud humana de varias formas, aunque se estudian algunos efectos negativos. [39]

Las Naciones Unidas designaron 2011-2020 como el Decenio de las Naciones Unidas sobre la Diversidad Biológica. [40] y 2021-2030 como el Decenio de las Naciones Unidas para la Restauración de Ecosistemas, [41] Según un informe de 2019 Informe de evaluación mundial sobre la diversidad biológica y los servicios de los ecosistemas por IPBES el 25% de las especies de plantas y animales están amenazadas de extinción como resultado de la actividad humana. [42] [43] [44] Un informe de la IPBES de octubre de 2020 encontró que las mismas acciones humanas que impulsan la pérdida de biodiversidad también han dado lugar a un aumento de las pandemias. [45]

En 2020, la quinta edición del informe Perspectiva mundial sobre la diversidad biológica de las Naciones Unidas, [46] que sirvió como una "tarjeta de informe final" para las Metas de Aichi para la diversidad biológica, una serie de 20 objetivos establecidos en 2010, al comienzo del Decenio de las Naciones Unidas sobre la diversidad biológica. La biodiversidad, la mayoría de la cual se suponía que se alcanzaría a fines del año 2020, afirmó que ninguna de las metas, que se refieren a la salvaguardia de los ecosistemas y la promoción de la sostenibilidad, se ha cumplido plenamente. [47]


Introducción

Los ambientes acuáticos son uno de los nichos ecológicos más importantes de la Tierra, ya que numerosos fenómenos biológicos tienen lugar en las múltiples fases del ciclo del agua 1. Las fases y etapas del agua constituyen reactores genéticos, escenarios ecológicos donde las condiciones ambientales conducen a la evolución bacteriana debido a la conexión, variación y selección biológica 2. Esta situación es especialmente notoria en las plantas de tratamiento de aguas residuales (EDAR), ya que recolectan aguas residuales de diversos orígenes y poblaciones donde ocurren distintas actividades antropogénicas, incluidos los ambientes nosocomiales. Así, la gran diversidad bacteriana y su contenido génico tienen las condiciones óptimas para interactuar y generar nuevas asociaciones. Las poblaciones bacterianas de la EDAR pueden llegar eventualmente a ambientes naturales y sus poblaciones bacterianas nativas, que actúan como importantes reservorios y vehículos para los mecanismos de resistencia a los antibióticos 2.

El agua dulce es uno de los hábitats naturales con mayor diversidad de poblaciones bacterianas, no solo teniendo en cuenta el nivel de especie sino también los linajes y agrupaciones de la misma especie 1. Estas poblaciones indígenas también presentan su propio contenido de resistencia genética, aunque los datos sobre la resistencia a los antibióticos en nichos naturales aún son escasos 3. Mecanismos de resistencia a antibióticos seleccionados de etapas previas del ciclo del agua o genes de resistencia de bacterias típicamente naturales pueden diseminarse a través de este ciclo y alcanzar especies bacterianas capaces de colonizar e infectar poblaciones humanas y animales, lo que representa un alto riesgo para la salud pública 4.

La aparición de carbapenémicos resistentes Enterobacterias (CRE), y su asociación con otros mecanismos que confieren resistencia a antibióticos de última línea como la colistina, destacó la relevancia de los aminoglucósidos 5. Los aminoglucósidos son compuestos antimicrobianos con actividad bactericida. Interactúan con el sitio A del ARNr 16S de la subunidad ribosómica 30S, lo que conduce a una alteración del proceso de traducción bacteriano. Esta clase de antibióticos se incluyó en la categoría de antimicrobianos de importancia crítica de los medicamentos humanos 6. Los aminoglucósidos pertenecientes al grupo de la 2-desoxiestreptamina 4,6-disustituida (4,6-DOS), que tienen una relevancia clínica particular, se utilizan ampliamente para el tratamiento de infecciones complicadas 5.

La resistencia a los aminoglucósidos puede estar mediada por diversos mecanismos. De estos, el más preocupante es la modificación postranscripcional del ARNr 16S por enzimas metiltransferasas adquiridas, que metilan residuos particulares del ribosoma bacteriano, bloqueando la unión de los aminoglucósidos a su diana celular. Las metiltransferasas de ARNr 16S (16S-RMTasas) incluyen varias enzimas (ArmA, RmtA-RmtH y NpmA), que normalmente se encuentran integradas en elementos genéticos móviles y asociadas con varios tipos de plásmidos. ArmA y RmtB son los más prevalentes en todo el mundo y anulan por completo la actividad de los aminoglucósidos 4,6-DOS, lo que les confiere altos niveles de resistencia a los aminoglucósidos clínicamente más relevantes 5. Estas enzimas incluso son capaces de abolir el efecto de la plazomicina, un nuevo aminoglucósido considerado como un último recurso para el tratamiento de infecciones causadas por bacterias multirresistentes 7. Algunos estudios han señalado a los ambientes acuáticos como importantes reservorios de bacterias y elementos genéticos móviles involucrados en la producción y diseminación de 16S-RMTasa, especialmente las aguas residuales. Sin embargo, el escenario ecológico de las 16S-RMTasas en diferentes entornos acuáticos, sus asociaciones epidemiológicas y sus posibles implicaciones para la salud pública siguen sin comprenderse en gran medida 3,8.

El objetivo de este trabajo fue desentrañar la estructura genómica y la diversidad de poblaciones de Escherichia coli que albergan genes 16S-RMTasa de aguas residuales (EDAR) y agua dulce (ríos), con el fin de comprender los elementos y fenómenos bacterianos que llevaron al surgimiento, evolución y diseminación de las asociaciones gen-plásmido-bacteria en diferentes ambientes acuáticos.


Vinculado a la diversidad biológica y lingüística

La diversidad cultural & # 8212 indicada por la diversidad lingüística & # 8212 y la biodiversidad están vinculadas, y su conexión puede ser otra forma de preservar tanto los entornos naturales como las poblaciones indígenas en África y quizás en todo el mundo, según un equipo internacional de investigadores.

& # 8220 El remate es que si estás interesado en conservar la diversidad biológica, excluir a los pueblos indígenas que probablemente ayudaron a crear esa diversidad en primer lugar puede ser una muy mala idea & # 8221, dijo Larry Gorenflo, profesor de arquitectura del paisaje, geografía y estudios africanos, Penn State.

& # 8220 Los seres humanos son parte de los ecosistemas y espero que este estudio marque el comienzo de un esfuerzo más comprometido para involucrar a los pueblos indígenas en la conservación de localidades que contienen biodiversidad clave. & # 8221

Gorenflo, en colaboración con la lingüista Suzanne Romaine, Merton College, Universidad de Oxford, Reino Unido, examinó 48 localidades de África designadas por la Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO) como Sitios del Patrimonio Mundial Natural. Estos sitios albergan & # 8220 recursos naturales y culturales combinados o naturales de importancia mundial & # 8221, según informan.

Este artículo se colocó en línea como manuscrito sin editar en enero de 2021 antes de la publicación en línea final en abril de 2021 en Biología de la Conservación.

Analizaron los datos del sistema de información geográfica sobre idiomas indígenas en estas áreas y encontraron que 147 idiomas se superponían con los sitios de la UNESCO. Las lenguas indígenas se produjeron en todos los sitios del Patrimonio Mundial Natural examinados, excepto en uno.

& # 8220El desierto del Mar de Arena de Namib en Namibia es un área bastante seca & # 8221, dijo Gorenflo. & # 8220 Algo desolado, con maravillosas dunas de arena y características naturales, pero tan duras que no hay nadie viviendo allí que yo sepa. & # 8221

Pero en todos los demás Sitios del Patrimonio Mundial Natural en África continental y en las islas cercanas, los pueblos indígenas no solo viven, sino que, hasta cierto punto, gestionan el medio ambiente en el que viven y lo han estado haciendo durante mucho tiempo.

& # 8220 El gran mensaje es básicamente que existe una creciente evidencia de que la diversidad cultural y la biodiversidad están interrelacionadas, y lo encontramos a una escala geográfica bastante fina & # 8221, dijo Gorenflo. & # 8220Si este es el caso, entonces es un argumento fuerte para que los pueblos indígenas sean parte de la gestión del ecosistema en los sitios donde viven.

& # 8220En términos de enfoque de gestión, cuando hay más de un grupo lingüístico asociado con un sitio específico, la estrategia probablemente debería ser dejar que las personas asociadas con áreas individuales se ocupen de esas áreas, & # 8221, dijo.

Además de encontrar que los hablantes de idiomas indígenas a menudo viven en sitios de alto perfil de la UNESCO, los investigadores también encontraron que el número de idiomas en estas localidades se correlaciona con el número de especies cuyos rangos de ocurrencia incluyen estos sitios.

Para sus datos de idiomas, el equipo utilizó Ethnologue, una base de datos lingüística establecida originalmente para traducir la Biblia y el único conjunto de datos global para idiomas con información geográfica detallada.

& # 8220La base de datos ciertamente no es totalmente correcta & # 8221, dijo Gorenflo. & # 8220Pero muestra patrones importantes. & # 8221

Para los datos de especies, los investigadores utilizaron la Lista Roja de Especies en Peligro de la Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza # 8217, que incluye datos del rango de especies. Observaron anfibios, mamíferos, reptiles y una colección de especies de agua dulce. También utilizaron datos de Birdlife International y & # 8220Handbook of the Birds of the World & # 8221 para especies de aves.

& # 8220Lo que encontramos numéricamente es que dentro de los Sitios del Patrimonio Mundial de la UNESCO, si grafica los números de idioma contra los números de rango de especies, encuentra que hay una relación positiva & # 8221, dijo Gorenflo. & # 8220Puede ser porque una complejidad más natural genera más complejidad cultural, aunque no lo sabemos con certeza. & # 8221

Los resultados del estudio revelaron que en los orzuelos de la UNESCO en África, las lenguas indígenas se superponen con los rangos de más de 8.200 especies en los grupos considerados.

Niño Masai de pie en un campo con un palo en el Área de Conservación de Ngorongoro, Tanzania. Crédito: Larry Gorenflo, Penn State

Gorenflo sugiere que podría haber una reducción en la biodiversidad en estos sitios africanos de importancia mundial si los grupos indígenas son desplazados o de alguna manera tienen su influencia en la gestión de estas localidades marginadas.

& # 8220Nuestro objetivo final es tratar de buscar en algunos lugares y descubrir cómo podríamos rediseñar y reconsiderar las estrategias de gestión y lograr que los pueblos indígenas se involucren más en la gobernanza compartida. & # 8221

Centrarse en estos sitios de alto perfil de la UNESCO proporciona una base para involucrar a los pueblos indígenas en la gobernanza que, con suerte, se extenderá a lugares menos notables en África y más allá, según Gorenflo.

Espera examinar áreas específicas para aumentar su comprensión de la relación entre la diversidad biológica y lingüística, enfocándose primero en las Montañas del Arco Oriental de Tanzania, donde gran parte de la diversidad lingüística y biológica ocurre en esta nación.

También planea examinar Vanuatu, un archipiélago en el hotspot de biodiversidad de las islas Melanesias del este con una diversidad lingüística particularmente densa. Otros dos puntos calientes de biodiversidad de interés son Indo-Birmania & # 8212 Camboya, Lao, Vietnam, Myanmar y el sur de China & # 8212 y Mesoamérica, dos regiones donde la diversidad lingüística también es bastante alta.


Discusión

Examinamos la composición bacteriana de muestras fecales de poblaciones rurales en Tanzania y Botswana y una población comparativa de Filadelfia en los EE. UU. Entre las poblaciones rurales de Tanzania y Botswana, existen diferencias a nivel de población en la diversidad y abundancia de bacterias. También encontramos correlaciones entre el IMC del hospedador y la diversidad microbiana general (la microbiota menos diversa se correlacionó con un IMC más alto) y la abundancia de taxones específicos. La similitud genética del huésped se correlaciona con una composición bacteriana más similar dentro de las poblaciones Hadza y Maasai. Al comparar las poblaciones africanas, encontramos que la relación genética se correlaciona con la presencia / ausencia de bacterias intestinales, incluso cuando se tiene en cuenta la separación geográfica.

La diversidad de la comunidad bacteriana que observamos entre las poblaciones rurales africanas es comparable a la observada por Gomez et al. [27] entre dos grupos de la República Centroafricana, los cazadores-recolectores BaAka y un grupo vecino de agricultores de habla bantú. Las distancias UniFrac no ponderadas entre los BaAka y los bantú vecinos son casi el 74% de la distancia media entre los EE. UU. Y la cohorte africana, mientras que para UniFrac ponderados esta relación es de casi el 70%. Las poblaciones africanas de nuestra cohorte son ligeramente más diversas filogenéticamente según las distancias UniFrac no ponderadas (83% de la distancia entre EE. UU. Y África) y son comparables en términos de distancias UniFrac ponderadas (68% de la distancia entre EE. UU. Y África).

Dada la dificultad de comparar directamente los estudios de microbioma que utilizan diferentes amplicones para las mediciones de OTU, contextualizamos nuestros resultados con el metanálisis a nivel de taxones de Smits et al. (2017), que identificó cuatro familias bacterianas y un filo bacteriano que se asocian principalmente con (Prevotellaceae, Spirochaetaceae, Succinivibrionáceas) o industrializado (Bacteroidaceae, Verrucomicrobia) poblaciones (Archivo adicional 1: Figuras S14, S15 Archivo adicional 2: Tabla S1V). Además, tres de estos cinco taxones (Succinivirbionáceas, Spirochaetaceae, y Prevotellaceae) fueron muy variables con la temporada. Con la inclusión de nuestras cohortes de estudio, este metanálisis modificado tiene datos de composición bacteriana de 26 poblaciones en 17 países (34 cohortes). Para la cohorte de EE. UU. Utilizada en este estudio, las abundancias medias de los cinco taxones estaban dentro de una desviación estándar de los valores medios para una o más cohortes de EE. UU. En el Proyecto del microbioma humano (Archivo adicional 1: Figuras S14, S15 Archivo adicional 2: Tabla S1V), lo que indica que no es un valor atípico en comparación con estudios anteriores.

La relativa abundancia de Prevotellaceae en el Hadza de nuestro estudio fue

58%, que es casi diez veces mayor que el 8% de abundancia relativa de Prevotellaceae encontrado en el Hadza por Schnorr et al [24], aunque está dentro de una desviación estándar de la abundancia relativa informada por Smits et al. [31] (

38%) (Archivo adicional 1: Figuras S14, S15 Archivo adicional 2: Tabla S1V). Estudios anteriores de Hadza (Smits et al. 2017) [31] y Hutterites de los EE. UU. [49] indican que los taxones de bacterias intestinales volátiles estacionalmente se correlacionan con los alimentos disponibles estacionalmente. Los Hadza de nuestro estudio fueron muestreados desde mediados de octubre hasta principios de noviembre, que es el final de la estación seca y el comienzo de la estación húmeda, cuando hay una precipitación promedio de 57 mm [50]. Schnorr y sus colegas tomaron muestras de la población de Hadza en la temporada de lluvias durante enero [24], cuando la precipitación promedio es

146,6 mm [50]. La mayor abundancia de Prevotellaceae en Hadza en nuestro estudio es concordante con la variación estacional de este taxón informado en Smits et al. [31]. Como ocurre con cualquier taxón bacteriano y población de estudio, las diferencias en Prevotellaceae La abundancia entre los estudios de microbiomas de Hadza podría verse afectada por el uso de diferentes protocolos, reactivos y cebadores.

Las fluctuaciones en la dieta a corto plazo también podrían explicar parte de la variabilidad observada entre los estudios de microbioma [51] en Hadza y nuestras otras poblaciones muestreadas. Aunque no pudimos obtener información dietética a nivel individual o poblacional para los participantes de nuestra investigación, realizamos una revisión de la literatura nutricional para proporcionar una evaluación cualitativa de la dieta contemporánea en las poblaciones tradicionales presentadas en este estudio (consulte el archivo adicional 2: Tabla S1W y Métodos para obtener información dietética ampliada). Dada la diferencia de tipos de alimentos entre las poblaciones industrializadas y tradicionales, la similitud de composición entre los bantú y los estadounidenses es notable y puede ser un reflejo de los cambios nutricionales individuales en los bantú de Botswana y un cambio de las dietas tradicionales a las industrializadas. En la figura 2 se desprende claramente que existe heterogeneidad en los perfiles de abundancia bacteriana dentro de los bantú, donde aproximadamente la mitad de la población tiene bacterias intestinales similares a los otros grupos africanos, y la otra mitad tiene bacterias intestinales más similares a la cohorte estadounidense. No pudimos identificar ningún factor del huésped (edad, sexo, IMC, ubicación) que distinga significativamente a estos dos grupos de bantúes. Si estamos observando una población que experimenta cambios en los estilos de vida que afectan a las bacterias intestinales, entonces los cambios en las bacterias intestinales no son uniformes en toda la población. El trabajo futuro dirigido a emparejar la investigación longitudinal del microbioma intestinal con encuestas dietéticas a nivel individual y poblacional sería informativo para determinar hasta qué punto los cambios en la subsistencia y la dieta afectan los cambios microbianos.

Bacteroides se ha utilizado para distinguir entre en desarrollo (bajo Bacteroides abundancia) e industrializada (alta Bacteroides abundancia) poblaciones [22,23,24,25,26,27,28, 30] y es significativamente variable entre las poblaciones africanas, con abundancias generalmente más altas en Botswanans que en Tanzania. Descubrimos que la composición bacteriana intestinal de la población de EE. UU. Está más cerca de las poblaciones de Botswana que de cualquiera de las poblaciones de Tanzania. En particular, la composición de las bacterias intestinales de EE. UU. Fue muy similar a la de los agropastoralistas de Botswana Bantu, y 12 de los individuos agropastoriles de Botswana Bantu tienen bacterias intestinales que no son significativamente diferentes de las de los EE. UU. Por su composición ponderada por abundancia. Los agropastoralistas bantúes de EE. UU. Y Botswana también tienen las dos medidas más bajas de diversidad taxonómica dentro de los anfitriones y dos de las medidas más altas de diversidad interindividual en esta cohorte. Botswana está más desarrollada económicamente que Tanzania, lo que se refleja en un ingreso nacional bruto per cápita anual más alto (de $ 15.5 mil en Botswana a $ 1.75 mil en Tanzania), y un porcentaje más alto de botswana (57%) que de tanzanos (30%) vive en áreas urbanas [ 52, 53]. Ninguna de las poblaciones de nuestro estudio vive en un entorno urbano.

A 60 km o más a pie de la ciudad más cercana (consulte el archivo adicional 2: Tabla S1X para obtener más detalles). Es posible que existan diferencias a nivel de país en patógenos, saneamiento, prácticas de higiene, acceso al transporte o acceso médico entre Tanzania y Botswana que afecten la composición del microbioma intestinal en las áreas rurales.

Los hadza, san y sandawe son tres poblaciones de cazadores-recolectores actuales o anteriores en diversas etapas de asentamiento o transición de su estilo de vida ancestral de subsistencia. Los Sandawe se establecieron en aldeas y adoptaron prácticas agropastorales a pequeña escala a mediados del siglo XIX [54]. Los Sandawe tienen la mayor cantidad de bacterias α-diversidad en la cohorte, que puede estar relacionada con su mezcla genética con poblaciones vecinas y / o su combinación de prácticas de subsistencia. Varias estrategias de subsistencia podrían aumentar de manera plausible la diversidad bacteriana intestinal (1) de manera neutral, a través de la introducción de una amplia gama de microbios debido a un estilo de vida y dieta variados, o (2) selectivamente, debido a la adaptación de la comunidad bacteriana a diferentes entornos. Los valores altos de diversidad de Shannon en Sandawe son consistentes con la “Hipótesis de perturbación intermedia” que propone que la diversidad de bacterias se maximiza en condiciones de ambientes fluctuantes (por ejemplo, la dieta en este caso) [55, 56].

Los hadza son únicos en esta cohorte porque todavía practican en gran medida la caza y la recolección [57]. Sus bacterias intestinales son atípicas en varios aspectos: (A) tienen la mayor abundancia de Prevotellaceae y Espiroquetas [24,25,26,27, 30], en particular, el género Treponema dentro de la familia Espiroquetas, que es un componente común de los microbiomas intestinales de los cazadores-recolectores [24,25,26,27, 30] y un catabolizador de materiales vegetales fibrosos (celulosa y xilanos) que forman un gran componente de las dietas Hadza [24], (B) los Hadza son valores atípicos en UniFrac PCoA no ponderado, lo que indica que sus bacterias, en términos de presencia / ausencia, son filogenéticamente las más diferentes de otras poblaciones africanas, (C) ellos y los Maasai son las únicas dos poblaciones (de cinco analizadas) con un microbioma significativamente distinto entre sexos, (D) las bacterias intestinales comunes de Hadza son filogenéticamente más homogéneas en la población en relación con todas las demás poblaciones en este estudio, y (E) la variación dentro de la población en sus bacterias intestinales se correlaciona con la relación entre individuos, donde los individuos más relacionados tienden a tener una composición bacteriana más similar (ponderada tanto por presencia / ausencia como por abundancia). Las diferencias filogenéticas bacterianas entre sexos en el Hadza que observamos corroboran un hallazgo previo de diferencias sexuales en el microbioma intestinal de Hadza [24], y pueden atribuirse en parte a la división sexual del trabajo y la ingesta diferencial de alimentos [24]. Los hombres y las mujeres hadza tienen patrones de actividad diferentes, donde los hombres son recolectores de alimentos con gran movilidad con acceso a la miel y la carne de caza, mientras que las mujeres hadza buscan materiales locales y pueden participar en "bocadillos" más frecuentes de alimentos enriquecidos con fibra que los hombres [58, 59 ].

Los masai de Tanzania y los herero de Botswana son dos pueblos pastores de ganado que viven muy cerca de los animales domésticos y tienen un fuerte componente lácteo en su dieta [60]. Sin embargo, las bacterias intestinales Maasai y Herero no son más similares entre sí que a otras poblaciones vecinas en sus respectivos países. Los masai, como los hadza, tienen una distinción significativa en las comunidades bacterianas entre sexos. Los hombres masai se encargan de supervisar y arrear el ganado [60, 61] mientras que las mujeres tradicionalmente administran el hogar, supervisan la producción de leche de los animales y la distribución (o venta) de la leche, y supervisan el ganado menor (cabras, ovejas) [60, 61]. La separación del trabajo y el tiempo fuera del hogar que pasan los hombres cuidando el ganado [62] podría afectar los tipos y cantidades de alimentos que consumen los hombres en comparación con las mujeres.

En las siete poblaciones africanas, encontramos una correlación negativa significativa entre α y β-diversidad, que corrobora una tendencia que se ha observado previamente entre pares de poblaciones occidentales y no occidentales [22,23,24,25,26,27,28]. Varias implicaciones se derivan de esta tendencia general: primero, la correlación negativa entre α y β-diversity exists among a set of non-Western populations practicing largely traditional subsistence lifestyles, demonstrating that the correlation is not entirely a Western versus non-Western phenomenon second, the correlation is not associated with the particular subsistence lifestyle and third, the correlation is more significant for unweighted β-diversity than for abundance weighted β-diversity. These three points, and the fact that the correlation is negative, are consistent with a neutral, diffusion-limited process accounting for most phylogenetic differences in gut microbiome communities between the African populations in our study. This does not argue against selection acting on specific bacteria according to their niche role, only that selection on broad subsistence type does not appear to determine the overall phylogenetic distance between populations [63].

The contribution of host genetics to gut microbiome composition remains an open question, with studies finding evidence for heritability of relative bacterial abundances or specific taxa [15, 63,64,65,66,67,68], and alternately, estimating that host genetics explain only a minor percentage of microbiome variation [69]. We do not know whether the observed correlations between bacterial composition and host genetic similarity that we find in the within-population analysis of the Hadza and Maasai, or in the joint analysis of geographic and relatedness across all population, is tracking differences in specific genetic factors that mediate interactions with commensal microbiota (e.g., inflammation response or mucin production genes), or the tendency for closely related individuals to live and/or work in the same places and hence have a greater degree of shared environment compared to unrelated individuals. The bacterial compositional differences seen between countries, between populations within a country, and the significant dependence on the geographic distance between individuals in a linear model, underscore the importance of physical separation on the distribution of gut bacteria among population groups. Longitudinal studies may be may be required to understand whether these correlations are plausibly due to bacterial dynamics within a population, while much larger cohorts are required for adequately powered statistical tests of whether these correlations are due to heritable host genetic factors.

The functional differences of the predicted metagenomic content of the gut microbiomes supports the hypothesis that there are both country-level and population-level differences in the distribution of functional pathways among the gut bacteria. We find that most imputed KEGG pathways that are more enriched in the USA compared to the two African countries as a whole are also more enriched in Botswana than in Tanzania. KEGG pathways with this enrichment pattern include categories that relate to the degradation of industrial compounds and by-products, such as bisphenol, xylene, DDT, and styrene. This pattern possibly reflects selection for increasing the abundance of bacteria that can degrade or metabolize environmental xenobiotic compounds.

The imputed bisphenol degradation pathway also has highest frequency in the USA, followed by Botswana, then Tanzania. Bisphenol is a common industrial organic compound used in many plastics and epoxies. The sampled African populations live far from industrial centers and arguably have less contact with plastics and industrial by-products compared to the US individuals consequently, the frequency pattern of the bisphenol degradation pathway could indicate that the presences of bisphenol is influencing the US gut microbiome. A similar argument applies to the higher frequencies of imputed styrene degradation and xylene degradation pathways in the USA compared to Botswana and Tanzania.

Within Africa, we find that Botswana has a higher frequency of these industrial compound degradation pathways compared to Tanzania, including imputed DDT degradation pathways. Interestingly, Botswana, but not Tanzania, is one of nine countries worldwide that uses indoor residence spraying of traditional structures for control of malaria-carrying mosquitos [70, 71]. These results suggest potential metagenomic adaptation to increased exposure to industrial compounds in western populations, and to DDT in Botswanans.

There are caveats to interpretation of PICRUSt results we do not know with certainty what the sources are that may explain these differences in imputed functional enrichment. Additionally, imputed gene content from reference strains may not adequately capture the gene content in strains that have diverged due to, for example, horizontal gene transfer and selection (e.g., antibacterial resistance). Shotgun sequencing of the gut bacteria will be required to directly verify the metagenomic functional differences observed here and to investigate potentially novel bacterial strains found in these Africa populations. The US population sampled here is the only population from an urban city in our study, which we may reasonably expect to contain more industrial pollutants in the general environment than in the environment of any of the populations we sampled in Africa. Consequently, it would be of interest to sample populations from Botswana and Tanzania that reside in major urban centers where there is more exposure to industrial pollutants, to see if their gut bacteria are enriched for functions more similar to what we see in the US population with regard to industrial by-product degradation and xenobiotic metabolism.


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Sobre el Autor


Fundación Nacional de Ciencias - Donde comienzan los descubrimientos

First complete genome reveals high genetic diversity despite recent brush with extinction


High genomic diversity is good news for California condor.


June 3, 2021

Despite almost being driven to extinction, the California condor has a high degree of genetic diversity that bodes well for its long-term survival, according to a U.S. National Science Foundation-funded analysis by University of California researchers.

Nearly 40 years ago, the state's wild condor population was down to a perilous 22. That led to inbreeding that could have jeopardized the population's health and narrowed the bird's genetic diversity, which can reduce its ability to adapt to changing environmental conditions.

In comparing the complete genomes of two California condors with those of an Andean condor and a turkey vulture, UC San Francisco and UC Berkeley scientists found genetic evidence of inbreeding over the past few centuries but, overall, a wealth of diversity across most of the genome.

"You need genetic diversity to adapt, and the more genetic diversity they [California condors] have, hopefully, the more chance they have to adapt and persist," said Jacqueline Robinson, lead author of a paper in the journal Biología actual. "Our study is the first to begin quantifying diversity across the entire California condor genome, which provides us a lot of baseline information and will inform future research and conservation."

The health of the bird's genome is probably due to the species' great abundance in the past. Robinson and her colleagues used statistical techniques to estimate the condor's historical population and found that it was far more abundant across the United States a million years ago than the turkey vulture, America's most common vulture today. The bird likely numbered in the tens of thousands, soaring and scavenging from New York to Florida to California and into Mexico.

"They have this legacy of high genetic diversity from their former abundance, so I think there is a chance that we could manage the population going into the future to maintain the genetic diversity they have now and not have any further losses," Robinson said.


12: Population Diversity - Biology

PART IV. EVOLUTION AND ECOLOGY

12. Diversity Within Species and Population Genetics

12.5. Genetic Diversity in Domesticated Plants and Animals

Humans often work with small, select populations of plants and animals in order to artificially construct specific genetic combinations that are useful or desirable. This is true of plants and animals used for food. If we can produce domesticated animals and plants with genetic characteristics for rapid growth, high reproductive capacity, resistance to disease, and other desirable characteristics, we can supply ourselves with energy in the form of food. Several processes are used to develop such specialized populations of plants and animals. Most have the side effect of reducing genetic diversity.

Recall that cloning is the process of reproducing organisms asexually, so that large numbers of genetically identical individuals are produced. These individuals are called clones.

Plants are easy to work with in this manner, because we can often increase the numbers of specific organisms by asexual (without sex) reproduction. Potatoes, apple trees, strawberries, and many other plants can be reproduced by simply cutting the original plant into a number of parts and allowing these parts to sprout roots, stems, and leaves. If a single potato has certain desirable characteristics, it can be reproduced asexually. All of the individual potato plants reproduced asexually would be genetically identical and would show the same desired characteristics. Figure 12.9 shows how a clone can be developed.

FIGURE 12.9. Cloning Plants from Cuttings

All the Peperomia houseplants in the last figure (e) were produced asexually from cuttings and are identical genetically. (a-c) The original plant is cut into pieces. Then, (d) the cut ends are treated with a growth stimulant and placed in moist soil. (e) Eventually, the pieces root and grow into independent plants.

The cloning of most kinds of domesticated animals is much more difficult than the cloning of plants. Even though this is not as yet a practical method of producing animals, in recent years, many kinds of animals have been cloned (table 12.2). The process involves the substitution of a nucleus from a mature animal for the nucleus of an egg. This cell is then stimulated to develop as an embryo. There is a high rate of failure, but the goals of animal cloning are the same as those of plant cloning: the production of genetically identical individuals.

Country Where Cloning Occurred

Humans can bring together specific genetic combinations in either plants or animals by selective breeding. Because sexual reproduction tends to generate new genetic combinations rather than preserve desirable combinations, the mating of individual organisms must be controlled to obtain the desirable combination of characteristics. Selective breeding involves the careful selection of individuals with specific desirable characteristics and their controlled mating, with the goal of producing a population that has a high proportion of individuals with the desired characteristics.

Through selective breeding, some varieties of chickens have been developed that grow rapidly and are good for meat. Others have been developed to produce large numbers of eggs. Often, the development of new varieties of domesticated animals and plants involves the crossing of individuals from different populations. For this technique to be effective, the desirable characteristics in each of the two varieties should have homozygous genotypes. In small, controlled populations, it is relatively easy to produce individuals that are homozygous for a specific trait. To make two characteristics homozygous in the same individual is more difficult. Therefore, such varieties are usually developed by crossing two different populations to collect several desirable characteristics in one organism. Intraspecific hybrids are organisms that are produced by the controlled breeding of separate varieties of the same species.

Occasionally, interspecific hybrids—hybrids between two species—are produced as a way of introducing desirable characteristics into a domesticated organism. Because plants can be reproduced by cloning, it is possible to produce an interspecific hybrid and then reproduce it by cloning. For instance, the tangelo is an interspecific hybrid between a tangerine and a grapefruit. An interspecific hybrid between cattle and the American bison was used to introduce certain desirable characteristics into cattle.

In recent years, scientific advances in understanding DNA have allowed specific pieces of genetic material to be inserted into cells. This has greatly expanded scientists’ ability to modify the characteristics of domesticated plants and animals. The primary goal of genetic engineering is to manipulate particular pieces of DNA and transfer them into specific host organisms, so that they have certain valuable characteristics. These topics were dealt with in greater detail in chapter 11.

The Impact of Monoculture

Although some of the previously mentioned techniques have been used to introduce new genetic information into domesticated organisms, one of the goals of domestication is to produce organisms that have uniform characteristics. In order to achieve such uniformity, it is necessary to reduce genetic diversity. Agricultural plants have been extremely specialized through selective breeding to produce the qualities that growers want. Most agriculture in the world is based on extensive plantings of the same varieties of a species over large expanses of land. This agricultural practice is called monoculture (figure 12.10). It is certainly easier to manage fields in which only one kind of plant is growing, especially when herbicides, insecticides, and fertilizers are tailored to meet the needs of specific crop species. However, with monoculture comes a significant risk. Because these organisms are so similar, if a new disease comes along, most of them will be affected in the same way and the whole population may be killed or severely damaged.

This wheat field is an example of monoculture, a kind of agriculture in which large areas are exclusively planted with a single crop with a very specific genetic makeup. Monoculture makes it possible to use large farm machinery, but it also creates conditions that can encourage the spread of disease because the plants have reduced genetic diversity.

Our primary food plants and domesticated animal species are derived from wild ancestors that had genetic combinations that allowed them to compete successfully with other organisms in their environment. When humans reduce genetic diversity by developing special populations with certain desirable characteristics, other valuable genetic information is lost from the gene pool. When we select specific, good characteristics, we often get harmful ones along with them. Therefore, these “special” plants and animals require constant attention. Insecticides, herbicides, cultivation, and irrigation are all used to aid the plants and animals we need. In effect, these plants are able to live only under conditions that people carefully maintain (figure 12.11).

Because our domesticated organisms are so genetically similar, there is a great danger that an environmental change or new disease could cause great damage to our ability to produce food. In order to protect against such disasters, gene banks have been established. Gene banks consist of populations of primitive ancestors of modern domesticated plants and animals (figure 12.12). By preserving these organisms, their genetic diversity is available for introduction into our domesticated plants and animals if the need arises.

FIGURE 12.11. Cash Crops Require Constant Attention

The photograph shows a portion of a plantation where native forest has been cleared for the planting of bananas. However, without constant attention, native rainforest plants encroach back into the bananas.

FIGURE 12.12. The Banking of Genes

Plant growers and breeders send genetic material, such as seeds, to the National Seed Storage Laboratory in Ft. Collins, Colorado, where it is stored at extremely cold temperatures to prevent deterioration. Gene banks will play an ever-increasing role in preserving biodiversity as the rate of extinction increases.

12. How do the genetic combinations in clones and sexually reproducing populations differ?

13. How is a clone developed? What are its benefits and drawbacks?

14. How is an intraspecific hybrid formed? What are its benefits and drawbacks?

15. Why is genetic diversity in domesticated plants and animals reduced?

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Fundación Nacional de Ciencias - Donde comienzan los descubrimientos


Sparkling Lake, Wis., after removal of invasive rusty crayfish: its ecosystem once again sparkles.


August 3, 2007

Is biodiversity important for predicting human impacts on ecosystems? If diverse ecosystems were, as a consequence, more stable, the answer would be yes.

However, stability is not one, simple property of an ecosystem and there is no one, simple relationship between diversity and stability, say ecologists Tony Ives and Steve Carpenter of the University of Wisconsin at Madison.

In the last 20 years, ecologists have performed experiments on diversity and stability, manipulating diversity (number of species) at small scales, then measuring one of several kinds of stability.

While these studies have taught us a lot about how diversity affects some types of stability, they don't necessarily tell us how stable ecosystems will be against human impacts, say Ives and Carpenter.

Ecologists should turn the question on its head, the researchers believe: rather than focusing on how diversity affects stability, scientists might make faster progress by focusing on stability first.

"Humans don't change 'just' biodiversity," said Ives. "Humans cause major environmental changes to ecosystems, like acidifying lakes or cutting down forests, with changes in biodiversity often a by-product.

"Rather than how biodiversity affects stability, we should be asking how environmental change affects the stability of many aspects of ecosystems, including diversity."

People often equate stable with good, unstable with bad, said Carpenter. But that thinking may be dead wrong.

"Anybody who has fought the very stable population of dandelions on their front lawn," he said, "or the increasingly predictable algal blooms in lakes like Mendota in downtown Madison [Wisconsin], knows that stable isn't necessarily good. Everyone would like to make components of ecosystems like these unstable enough to disappear."

In fact, environmental management is the management of stability, destabilizing unwanted situations while stabilizing preferred situations, Carpenter said.

Ives' and Carpenter's conclusion is that ecologists are still far from understanding how many ecosystems work. There are no short-cuts, they say, and it might be impossible to extrapolate from one ecosystem (or one experimental plot) to other ecosystems.

"The best argument for preserving biodiversity is still the cautionary principle," said Ives. "Given that we know little, it makes sense not to change much."

Ives and Carpenter published a review paper on stability and diversity of ecosystems in the journal Ciencias on July 6, 2007.

Their research is funded by the National Science Foundation's Division of Environmental Biology, Long-Term Ecological Research (LTER) Program's North Temperate Lakes site in Wisconsin.

-- Cheryl Dybas, NSF (703) 292-7734 [email protected]


Sparkling Lake, Wis., before the removal of rusty crayfish, an invasive species, from its waters.
Crédito y versión más grande

Investigators
Anthony Ives
Stephen Carpenter

Related Institutions/Organizations
Universidad de Wisconsin-Madison

Ubicaciones
Wisconsin

Related Websites
NSF LTER Program: http://www.lternet.edu
North Temperate Lakes LTER Site: http://www.lternet.edu/sites/ntl/


Sparkling Lake, Wis., before the removal of rusty crayfish, an invasive species, from its waters.
Crédito y versión más grande


12: Population Diversity - Biology

Plant Diversity (antes Plant Diversity and Resources) is an international plant science journal that publishes substantial original research and review papers that

  • advance our understanding of the past and current distribution of plants,
  • contribute to the development of more phylogenetically accurate taxonomic classifications,
  • present new findings on or insights into evolutionary processes and mechanisms that are of interest to the community of plant systematic and evolutionary biologists.

While the focus of the journal is on biodiversity, ecology and evolution of East Asian flora, it is not limited to these topics. Applied evolutionary issues, such as climate change and conservation biology, are welcome, especially if they address conceptual problems. Theoretical papers are equally welcome. Preference is given to concise, clearly written papers focusing on precisely framed questions or hypotheses. Papers that are purely descriptive have a low chance of acceptance.

Fields covered by the journal include:

  • plant systematics and taxonomy
  • evolutionary developmental biology
  • reproductive biology
  • phylo- and biogeography
  • evolutionary ecology
  • biología de poblaciones
  • conservation biology
  • palaeobotany
  • molecular evolution
  • comparative and evolutionary genomics
  • fisiología
  • biochemistry

Plant Diversity publishes original articles, review articles, short letters, modeling/theory and methods articles, rapid reports and special thematic issues.

The journal is affiliated with Kunming Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences and Botanical Society of China.