Principios básicos sobre dinámica y gestión genética de pequeñas poblaciones

CAPÍTULO 4 PRINCIPIOS BÁSICOS SOBRE DINÁMICA Y GESTIÓN GENÉTICA DE PEQUEÑAS POBLACIONES Antonio Molina Alcalá 1 , Mercedes Valera Córdoba 2 , Jesús Fernández Martín 3 1 Dep. Genética, Univ. Córdoba, Campus Rabanales C5, 14071. 2 Dep. Ciencias Agroforestales, Univ. Sevilla, Sevilla, Córdoba. 3 Dep. Mejora Genética Animal, INIA, 28040 Madrid. 1. DINÁMICA DE LAS POBLACIONES PEQUEÑAS Bajo las condiciones que tradicionalmente se conocen como de “población ideal” la constitución genética de una población se mantiene inalterada a lo largo de las generaciones (Falconer y Mackay, 1996). Esta estabilidad de las frecuencias alélicas y genotípicas se denomina Equilibrio de HardyWeinberg. En una población que cumpliese todas las carac-terísticas necesarias (tamaño infinito, igual contribución de todos los individuos a la siguiente generación, apareamiento aleatorio, etc.) no habría pérdida de diversidad genética cualquiera que fuera el parámetro usado para medirla y, por tanto, no habría que establecer programas para su conservación. 1.1. Procesos genéticos que afectan a la viabilidad de las poblaciones de censo limitado Las asunciones del modelo de HardyWeinberg son, en general, muy poco realistas. Una de las que más claramente se incumple en poblaciones reales es la que refiere al censo infinito de la población, especialmente si pensamos en poblaciones amenazadas o en peligro de extinción de las cuales se conserva un número reducido de individuos. En esta situación el pequeño tamaño poblacional va a determinar un incremento de la endogamia y determinados cambios aleatorios que se conocen como Deriva Genética. Los procesos genéticos que afectan a la viabilidad de las poblaciones de censo limitado se pueden resumir en: · Deriva genética, como principal motor de la evolución de las pequeñas poblaciones (por encima de la selección natural). · Los efectos deletéreos de la consanguinidad en la supervivencia y características reproductivas (depresión consanguínea). · La pérdida de variabilidad genética y por lo tanto de respuesta a los cambios ambientales. · Fragmentación de la población y reducción del flujo genético. · Adaptación a sistemas productivos diferentes al habitual y dificultad en la reintroducción de nuevo en su hábitat. · Efectos deletéreos de adaptación al medio por cruzamiento descontrolado (outbreeding depression: Depresión exogámica). 99 Volumen III. La conservación de la diversidad de razas autóctonas de Andalucía 1.1.1. Deriva genética ¿Qué es lo que cambia en la dinámica de una población el hecho de que se disponga de un número limitado de reproductores y de descendientes a generar? Básicamente lo que se produce en estas circunstancias es un muestreo aleatorio a dos niveles. Por una parte existe un muestreo a nivel de parentales, ya que al ser reducido el número de hijos para la siguiente generación puede que haya reproductores que contribuyan de manera diferencial, distorsionando las frecuencias alélicas y genotípicas. En un caso extremo, si individuos portadores de información genética exclusiva no se reproducen, la misma se perderá para siempre de la población. El segundo nivel de muestreo ocurre dentro de parentales en la generación de gametos. Si el individuo es homocigoto para un locus concreto (lleva dos alelos iguales), no hay problema porque todos sus gametos serán iguales. Pero si el individuo es heterocigoto puede generar gametos con informaciones diferentes (cada uno de los dos alelos que porta). En condiciones ideales, como el número de gametos producidos (y usados) por cada parental era infinito, se transmitía la misma proporción de alelos de cada tipo. Pero con censos finitos las proporciones pueden variar e incluso darse la situación de que todos los gametos usados para generar descendientes, a partir de un parental, sean portadores del mismo tipo de alelo. Este proceso de Deriva genética anteriormente descrito tiene un impacto importante en la diversidad genética de las poblaciones. Hay que hacer notar que, a diferencia de otras fuerzas direccionales como la selección, el sentido del cambio provocado por la deriva genética es impredecible (debido a su carácter aleatorio). Pero lo que si se puede es hacer predicciones estadísticas sobre la magnitud de los efectos que produce. 1.1.1.1. Varianza de las frecuencias alélicas Una de las consecuencias de la deriva sobre la constitución genética de las poblaciones ya ha sido apuntada anteriormente y consiste en la modificación de las frecuencias alélicas de la población. Para entender mejor el modo de actuación de la deriva en este sentido y cómo cuantificarlo, imaginemos que tenemos infinitas poblaciones de censo N en las que las frecuencias para un locus bialélico son p 0 y q 0 , respectivamente, e iguales para todas las poblaciones. En la siguiente generación, la frecuencia de cada uno de los alelos subirá en algunas poblaciones y bajará en otras, de manera que la frecuencia promedio para el conjunto de líneas no cambiará. Pero se encontrará una varianza en dichas frecuencias correspondiente a la de la probabilidad binomial, σ 2 q =p 0 q 0 / 2N. Con el paso de las generaciones la varianza irá aumentando de manera que t generaciones después la varianza de las frecuencias alélicas se puede calcular según la fórmula 100 Patrimonio ganadero andaluz Los tamaños poblacionales muy pequeños están sometidos a un proceso genético de deriva de tipo aleatorio que provoca: · Cambios aleatorios en las frecuencias alélicas de una generación a otra. · Perdida de diversidad genética y fijación de alelos dentro de la población. · Diversificación de núcleos poblacionales de la misma raza o especie, si están aislados. Es importante hacer notar que, si ignoramos el efecto de la mutación, para una población concreta la deriva hace que a largo plazo se fije una sola variante alélica, perdiéndose el resto de informaciones genéticas. La probabilidad de fijación de un alelo neutro concreto dependerá de su frecuencia inicial en la población, mientras que el tiempo medio de fijación dependerá del tamaño poblacional (más corto cuanto menor sea el censo). 1.1.2. Endogamia Otra consecuencia del censo reducido de las poblaciones es que los individuos pueden tener ancestros comunes y, por tanto, se aumenta la probabilidad de que dos copias de un mismo alelo en un antepasado se reúnan en el mismo individuo generando homocigosidad por descendencia (o autocigosidad según algunos autores; Fontdevila y Moya, 1999). La medida típica para esa probabilidad es el coeficiente de consanguinidad, F (Falconer y Mackay, 1996). El cálculo de dicho coeficiente, en condiciones de panmixia, se rige por la fórmula: donde N es el tamaño de la población y t es el número de generaciones que han pasado desde la que consideramos población base, en la que todos los alelos eran distintos por descendencia En la figura 1 se ha representado la pérdida de heterocigosidad a lo largo de 50 generaciones en función del número efectivo de la población (N e ). Para evitar hacer referencia a una generación base concreta y poder comparar entre diferentes poblaciones, en vez de con el valor absoluto, habitualmente se trabaja con la tasa de consanguinidad (D F ), definida como el cambio en consanguinidad ponderado por el máximo aumento de consanguinidad posible. El efecto general del incremento de la consanguinidad en una población es el aumento de la frecuencia de individuos homocigotos, con las consecuencias deletéreas sobre la eficacia biológica de las poblaciones como se ha explicado en el capítulo anterior. 101 Volumen III. La conservación de la diversidad de razas autóctonas de Andalucía A pesar de que los efectos perjudiciales de la consanguinidad se conocen desde muy antiguo, la endogamia se ha utilizado a lo largo de la historia para la formación de razas, estirpes y líneas. Así mismo en muchas culturas como la Egipcia o la Inca se fomentaban los matrimonios consanguíneos. Figura 1. Pérdida de heterocigosidad a lo largo de 50 generaciones en función del tamaño efectivo (Ne) de la población La lucha contra este proceso en pequeñas poblaciones salvajes es muy complicado debido al apareamiento aleatorio entre individuos emparentados (agravado por la subdivisión y fragmentación de la población que incrementa aún más la probabilidad de apareamiento entre parientes cercanos). En las poblaciones domésticas y en las especies salvajes en cautividad, se verá posteriormente la posibilidad de luchar contra este proceso mediante metodologías que minimicen el parentesco entre los reproductores y mediante la selección en contra de los efectos detrimentales de la consanguinidad (Suwanlee et al., 2006). Algún ejemplo de la magnitud de la depresión consanguínea y la efectividad de la eliminación de sus efectos en animales se puede consultar en Templeton y Read (1984) y en Ballou (1997). Este último autor desarrolló un método de diferenciación entre la consanguinidad ancestral y la reciente de un individuo, ya que, según éste, un individuo consanguíneo con consanguinidad ancestral, es menos susceptible a los efectos de la depresión consanguínea que un individuo con consanguinidad reciente ya que es menos probable que los antecesores que sobrevivieron y tuvieron crías fuesen portadores de alelos deletéreos. Este hecho fue comprobado utilizando diferentes modelos de regresión entre el coeficiente de consanguinidad y los efectos de esta sobre diferentes caracteres adaptativos (eficacia biológica). Otras fuerzas evolutivas citadas clásicamente (ver tabla 1), como la selección natural o la mutación no parecen jugar un papel importante en la evolución de la variabilidad de las poblaciones de pequeño censo. No obstante, si las diferentes subpoblaciones están sometidas durante mucho tiempo a ambientes muy heterogéneos, la selección natural puede determinar la fijación de los alelos no neutros que presenten un mayor valor adaptativo (eficacia biológica media de la población) en cada ambiente. 102 Patrimonio ganadero andaluz Tabla 1. Fuerzas de la evolución que provocan un aumento (+) o una disminución (-) de la variación en la población y entre poblaciones. Fuerza Variación en Variación entre la población las poblaciones Endogamia - + Deriva Genética - + Mutación + - Migración + - Selección Direccional - +/ - Selección Estabilizadora + - Adaptado de Griffiths et al. (2002) 1.1.3. Deriva y programas de conservación Estudiando las fórmulas que predicen el efecto de la deriva, tanto en lo que respecta al aumento de consanguinidad como al cambio de las frecuencias génicas, se llega fácilmente a la conclusión de que la deriva es un proceso que depende únicamente, de forma inversamente proporcional, del tamaño de la población (realmente del tamaño efectivo definido en un apartado anterior). Esta sería la justificación teórica para la recomendación básica, en cualquier programa de conservación, de mantener el mayor número posible de individuos en la población (lo que por otra parte es una idea muy intuitiva). Otra recomendación menos obvia surge de la consideración de que la deriva se produce cuando hay recambio de padres por hijos. Es por ello que podemos reducir la pérdida de variabilidad genética anual mediante el alargamiento del intervalo generacional, definido como la edad media de los padres cuando tienen a sus descendientes. Esto se puede conseguir manteniendo como reproductores a los individuos todo el tiempo que sea posible e, incluso, aumentar su periodo reproductivo mediante la conservación de gametos para su posterior uso. 1.2. Consecuencias del tamaño reducido de las poblaciones Dos fenómenos relacionados con la deriva genética son el llamado efecto fundador y el cuello de botella poblacional. En este apartado estudiaremos las causas relacionadas con el tamaño poblacional que han podido llevar a un grupo a encontrarse en una situación de amenaza. Igualmente se presentarán las recomendaciones que de dicho estudio se pueden extraer para el diseño de un programa de conservación. 1.2.1. Cuellos de botella El cuello de botella (population bottlenecks), constricción del tamaño poblacional, está reconocido como una importante causa de perdida de variabilidad genética e incre103 Volumen III. La conservación de la diversidad de razas autóctonas de Andalucía mento de consanguinidad (Frankham et al., 2002), aumentando por lo tanto el riesgo de extinción en las poblaciones naturales. En poblaciones naturales, debido a causas ambientales (pérdida de hábitat, degradación del ambiente) y fluctuaciones demográficas aleatorias (pe.: por razones sanitarias, catástrofes…), puede ocurrir que en un determinado momento el número de individuos que componen la población se reduzca muy por debajo de su tamaño habitual (ver Frankham et al., 2002). Esta situación puede también ocurrir además en poblaciones en cautividad por problemas logísticos o de gestión inadecuada. Es fácil de entender el impacto que este hecho tiene sobre la variabilidad genética mantenida en la población. La diversidad alélica es más sensible a la reducción del censo que la heterocigosidad, disminuyendo el número de alelos transmitido (Allendorf y Luikart, 2006), es decir, la pérdida de alelos, fundamentalmente alelos raros, es mucho mayor que la pérdida de varianza genética per se (Frankel y Soulé, 1981). Sin embargo, aunque estos alelos raros contribuyen poco a la varianza genética total, pueden proporcionar respuestas únicas ante futuros retos evolutivos. Por otra parte, la disminución censal puede ser muy intensa en un momento dado, o bien ocurrir de forma más difusa a lo largo de un periodo más o menos largo. Se ha demostrado que un cuello de botella ocasionado por una disminución brusca del tamaño determina, para una misma pérdida de heterocigosidad, una mayor pérdida de alelos que en el caso de una pérdida más lenta en el tiempo (England et al., 2003). En esta situación también se produce un aumento de la consanguinidad proporcional a la gravedad del cuello de botella, aunque el efecto sobre la heterocigosidad es menor si la duración del cuello no es muy larga. Es necesario recordar que los efectos de la deriva son acumulativos y permanentes, de manera que la consanguinidad generada en un periodo en el que el censo era reducido no se elimina aumentando el número de reproductores en generaciones posteriores. Lo mismo ocurre con la diversidad alélica, de la que sólo permanece la que es capaz de “atravesar” el cuello de botella. Es por ello muy importante que cuando se diseñe un programa de conservación se ponga especial cuidado en evitar oscilaciones grandes del tamaño poblacional. 1.2.2. Efecto fundador Cuando un nuevo hábitat es colonizado por una población, el proceso suele deberse a un reducido número de colonizadores o fundadores (de la misma forma cuando se establece un programa de conservación ex situ de una raza doméstica). Es por ello que en la nueva población la diversidad genética puede ser de partida muy reducida, si se ha pasado por un cuello de botella extremo. 104 Patrimonio ganadero andaluz A la vista de los conocimientos actuales de la genética de la conservación, el Arca de Noe hubiese sido poco viable. El efecto fundador de la elección de una sola pareja por especie, el cuello de botella extremo que determina y la depresión por endogamia hubiesen impedido la repoblación de muchas de las especies (salvo que previamente se hubiesen “purgado” los .alelos indeseables). Una colonia fundada por un reducido número de individuos experimentará una cierta pérdida de variación genética con respecto a la población de origen; en concreto, será muy improbable que los alelos raros o infrecuentes se encuentren representados en la colonia. Sin embargo en la primera generación no existirá una gran reducción de la heterocigosidad media: (1 – 1/ 2N) H 0 , donde N es el número de fundadores y H 0 es la heterocigosidad en la población de origen (pe. una colonia fundada por una pareja reproductora, N = 2, la heterocigosidad en la primera generación se reduce, como media, en un 25%). Dado que la varianza genética de un carácter es proporcional a la heterocigosidad poblacional para aquellos loci que afectan al carácter, la mayor parte de la heterocigosidad y la varianza genética de una población grande se mantiene, como media, en una colonia formada por pocos individuos. Esto es así porque los alelos raros, que son los más susceptibles de perderse, contribuyen poco a las medidas cuantitativas de heterocigosidad y varianza genética, mientras que los alelos relativamente frecuentes, que son los que más contribuyen a estas medidas, también son los que, con mayor probabilidad, van a estar contenidos en los fundadores. Si la colonia aumenta muy rápidamente de tamaño, la pérdida subsiguiente de variación genética será lenta. Por el contrario, si la colonia mantiene un reducido tamaño, la deriva genética continuará erosionando su variación genética de forma rápida. Si la colonia persiste y crece, la mutación sólo podrá restaurar la heterocigosidad hasta niveles más altos a muy largo plazo, por lo que la única forma práctica de elevar los niveles de variabilidad es introducir de forma periódica otros individuos. Por lo tanto, la importancia de las consecuencias de este efecto fundador, hay que tenerlo muy presente a la hora de crear un nuevo núcleo a partir de individuos de la población original (por ejemplo, repoblación de una zona en la que se extinguió la población, un centro de cría o un núcleo de conservación ex situ). En este sentido es esencial utilizar el mayor número posible de fundadores en este proceso y asegurarse de que los elegidos son los que capturan la mayor cantidad de variabilidad genética total. Una mala elección de los mismos puede llevar a una situación irreversible en la población. 1.2.3. Metapoblaciones y Fragmentación de las poblaciones El deterioro de los hábitats naturales o la creación de barreras artificiales (carreteras, vías, vallas de parcelación, etc) pueden hacer que poblaciones de animales salvajes que ocupaban grandes extensiones continuas se vean separadas en pequeños núcleos. También el manejo de poblaciones domésticas tiene que contemplar la situación de poblaciones subdivididas, ya que suele ser técnicamente inviable (además de poco recomendable atendiendo a razones de riesgo de extinción por causas ambientales) el mantenimiento de todos los individuos de la raza como un solo grupo. Adicionalmente en algunas razas domésticas se dan determinadas condiciones que limitan e incluso impiden el flujo genético entre las ganaderías (que se comportarían como subpoblaciones o islas). Es en este sentido donde cobra importancia los términos de metapoblación y de fragmentación de las poblaciones. El término de metapoblación fue propuesto por Levins (1969) para referirse a “una población fragmentada y discontinua en la que las subpoblaciones que ocupan los distintos fragmentos de hábitat útil están vinculadas por eventos locales de extinción y colonización a través de emigración e inmigración”. Cualquier población local está sujeta a una 105 Volumen III. La conservación de la diversidad de razas autóctonas de Andalucía determinada probabilidad de extinción (tasa de extinción local) que depende de factores endógenos (tasa reproductiva, tamaño de la población, etc.) y exógenos (fenómenos meteorológicos, sucesos catastróficos, etc.). Cuando una subpoblación desaparece, el hábitat que deja vacío queda disponible para ser recolonizado posteriormente por las subpoblaciones más cercanas. El modelo de metapoblación de Levins implica, pues, un dinamismo espacio-temporal en el que la fracción de hábitat (que el denominó “parches de hábitat”), ocupados por una especie en un momento dado, resulta del equilibrio dinámico entre la tasa de extinción de las zonas ocupadas y la tasa de recolonización de los zonas vacías. El modelo básico de Levins no tiene en cuenta la diferencia de tamaño de los territorios ocupados por cada subpoblación, su localización espacial ni la dinámica particular de cada subpoblación. Por lo que han sido necesarios desarrollos posteriores (Opdam 1991, Hanski y Gilpin 1997, Hanski, 1999) que tienen en cuenta todos estos factores. Por ejemplo, la tasa de extinción de cada subpoblación puede variar en función del tamaño y calidad del parche de hábitat correspondiente. Así, en parches de alta calidad, el número de nacimientos excedería al de las muertes, de modo que esa subpoblación se convertiría en una subpoblación donadora de individuos o “fuente”. Por su parte, en parches de baja calidad, morirían más individuos que los que nacen, de forma que estas subpoblaciones se comportarían como “sumideros”. Este modelo de metapoblación se denomina “Fuente - Sumidero” (Pulliam, 1988) y parece ajustarse al comportamiento de muchas poblaciones reales de organismos. En el modelo Fuente-Sumidero, la supervivencia de la metapoblación no depende sólo del balance global entre extinción y colonización, sino también del equilibrio entre fuentes y sumideros, de modo que las poblaciones fuente pueden mantener uno o más sumideros en el contexto de la metapoblación. Estos desarrollos han hecho que la utilización de modelos de metapoblaciones haya crecido exponencialmente en los últimos años en la biología de la conservación de especies salvajes. Un ejemplo ilustrativo de la importancia de la existencia de metapoblaciones y fragmentación de las subpoblaciones sobre la viabilidad y posibilidades de recuperación de las especies salvajes lo tenemos con el Lince ibérico (Lynx pardinus). Este felino que está considerado uno de los más vulnerable del mundo (Rodríguez, 2004), presentaba a finales de la década de los ochenta poco más de mil ejemplares, distribuidos en nueve núcleos poblacionales en España y dos o tres en Portugal (Rodríguez, 2004). Hembra de Lince Ibérico (Lynx pardinus) con cría en un arroyo de Sierra Morena. Fotografía de Adriano Vázquez Mora. 106 Patrimonio ganadero andaluz Esta vulnerabilidad de las poblaciones de lince por la escasez de alimento se ha visto potenciada por la incidencia de la mortalidad no natural sobre la demografía de una especie longeva, pero relativamente poco productiva (Ferreras et al., 2001; Rodríguez y Delibes, 2004). Así, en la actualidad la situación se ha agravado, dado que se calcula que pueden quedar algo menos de 200 individuos distribuidos en dos poblaciones, una en el Parque Nacional de Doñana y sus alrededores, y otra en las sierras de Andujar y Cardeña, entre las provincias de Jaén y Córdoba (figura 2). Ambas poblaciones están aisladas geográficamente (Rodríguez, 2004). Figura 2. Área de dispersión actual de la metapoblación del lince. Cada uno de estos núcleos funciona como una metapoblación (siguiendo un modelo de fuente-sumidero), de manera que lo integran subpoblaciones relativamente independientemente unidas por los animales (fundamentalmente jóvenes) que se dispersan. La población de Sierra Morena estaría formada por 2 núcleos (Fernández et al., 2003b), mientras que la metapoblación de Doñana está estructurada en nueve núcleos diferentes (Palomares et al., 2003). La mayoría de estas poblaciones son tan pequeñas que tienen un riesgo elevado de extinción a corto plazo si no existe flujo genético entre ellos. 107 Volumen III. La conservación de la diversidad de razas autóctonas de Andalucía El impacto genético de la fragmentación poblacional depende principalmente del flujo de genes entre las diferentes subpoblaciones. Si el flujo es muy bajo, aunque el tamaño poblacional global sea alto se producirá: · Perdida de variabilidad y aumento de la consanguinidad · Diferenciación de las subpoblaciones por deriva genética · En cambio disminuye el riesgo sanitario El mayor o menor flujo genético dependerá: · Estructura poblacional. · Número y tamaño (efectivo) de las subpoblaciones. · Distancia geográfica y orográfica entre ellas. · Nivel de organización de la población (Asociación). · Impedimentos de tipo sanitario para el movimiento de animales. Patrimonio ganadero andaluz Figura 5. Estructura esquematizada de un corredor lineal que conecta las manchas de una metapoblación. Corredor verde sobre una infraestructura de transportes para evitar la fragmentación de los hábitats. 2.2. Programas “ex situ” Cuando la situación de la población lo aconseja, se pueden establecer núcleos en condiciones de cautividad o semi-cautividad como complemento de la población en su hábitat o como único reducto para evitar la extinción total. La ventaja de estos programas es que se puede ejercer un control más estricto sobre la dinámica de la población con un coste relativamente menor que el de los programas “in situ”. Así siguiendo con nuestro ejemplo, recientemente (2005) se ha conseguido la cría en cautividad del lince, lo que va permitir un cambio de tendencia en la evolución de esta especie. La desventaja que presenta esta alternativa es que el ambiente en el que se desarrolla la población es muy diferente al de su hábitat natural y las presiones selectivas en contra de ciertos caracteres o comportamientos pueden verse relajadas o incluso invertidas. Por ejemplo: en condiciones de cautividad los individuos pueden recibir asistencia en el nacimiento de los hijos o en su alimentación que no recibirían en condiciones naturales. Es por ello que las estrategias de manejo de poblaciones en cautividad tengan que añadir a los objetivos generales del mantenimiento de la variabilidad genética y la lucha contra la consanguinidad, el objetivo de reducir al máximo la adaptación a la cautividad. 114 De la misma forma que los modelos de metapoblaciones pueden ayudar a la toma de decisiones en los programas de conservación in situ, pueden hacer lo mismo en el caso de las acciones de conservación ex situ. Así, puede ser de utilidad a la hora, por ejemplo, de seleccionar la localización más propicia para la conservación de una especie determinada en las llamadas reservas naturales o el número de reservas a establecer. Así una importante decisión a tomar en este sentido es si conservar los animales que existen en una reserva única (con el máximo tamaño y Ne posible) o en varias reservar más pequeñas (con menor Ne). La decisión dependerá de los tamaños efectivos resultantes y el riesgo de desaparición de la población única en relación a la de las diferentes subpoblaciones (desastres ecológicos, enfermedades etc.). Por un lado varias reservas pequeñas pueden disminuir el riesgo de extinción si la tasa de dispersión entre núcleos es bastante alta y el grado de correlación espacial de las localidades bajo (nivel de similitud en las fluctuaciones de diferentes subpoblaciones). Si las localidades están muy correlacionadas las fluctuaciones ambientales afectarán por igual a todas las poblaciones favoreciendo la extinción de la especie. Comparada con una población grande cada una de las localidades más pequeñas es más vulnerable a la “estocasticidad” ambiental. En cambio, la existencia de una única población incrementa enormemente el riesgo de desaparición por enfermedades infectocontagiosas y desastres ecológicos (pe. un incendio). El uso de modelos de metapoblaciones permite encontrar una solución óptima en casos concretos y evaluar diferentes opciones en el diseño de reservas naturales. En estas condiciones el gestor de un programa de conservación puede actuar a dos niveles: (i) decidir qué individuos actuarán como reproductores de la siguiente generación y (ii) determinar el esquema de apareamiento de estos parentales. Como hemos visto anteriormente la pérdida de variabilidad genética en poblaciones pequeñas es fundamentalmente debida a la deriva, ya que la mayoría de las variantes alélicas se comportarán como neutras y la selección natural sólo podrá actuar efectivamente contra las de efecto muy grande. También sabemos que los efectos de la deriva son proporcionales al censo (efectivo) de la población. Por ello una forma lógica de actuación es buscar las estrategias que maximizan el censo efectivo de la población. De forma general, la base de todo programa de conservación está en: a) Maximizar el tamaño efectivo de población o número efectivo de reproductores (Ne), para asegurar que tantos animales como sea posible contribuyan con descendientes a la siguiente generación, para así garantizar que el incremento de la consanguinidad por generación sea mínimo. Podríamos entonces, llevar a cabo tres estrategias teóricas: 1) igualar la relación (ratio) de sexo, a la hora de su contribución a la próxima generación, evitando las fluctuaciones en el tamaño de población, procurando que el mayor número de familias contribuyan con descendientes, siendo lo ideal que cada macho (semental) contribuyera con un descendiente macho y cada hembra (vientre) con un descendiente hembra a la próxima generación; 2) estandarizar el tamaño de familia, minimizando su varianza ( σ 2 k ) y 3) incrementar el intervalo generacional, alargando para ello, la vida reproductiva de los reproductores. 115 Volumen III. La conservación de la diversidad de razas autóctonas de Andalucía b) La búsqueda del mínimo grado de parentesco medio en cada generación, maximizando el número de genomas equivalentes, es decir minimizando la varianza de la contribución de todas las generaciones anteriores a la actual. 2.2.1. Elección de los fundadores Unos de los aspectos más importantes al iniciar un programa de preservación, bien a través de la criopreservación o del establecimiento de un programa de preservación in vivo, es la selección de los animales para la formación del banco de germoplasma y de la 1ª generación de animales respectivamente. Existe consenso en que estos deben mantener la máxima variabilidad genética posible. Esta variabilidad puede medirse mediante la diversidad alélica (número de alelos existentes en esa población para cada locus), la heterocigosidad observada (proporción de individuos heterocigotos), o la heterocigosidad esperada (bajo equilibrio Hardy-Weinberg, Nei 1973). Para Caballero y Toro (2000) este último debe ser el criterio de elección en los programas de conservación. La heterocigosidad esperada puede estimarse a partir de la información genealógica o a través de los marcadores genéticos, si bien es necesario mantener determinados caracteres exterioristas (por ejemplo tipo encornadura, color de capa, particularidades de esta, etc..) en los programas de conservación (por ejemplo como diferenciación con otras razas). Otra información interesante a la hora de seleccionar los fundadores es la estructura poblacional de la población, como número de núcleos (o ganaderías en el caso de especies domésticas), especialmente si algunas se han mantenido aisladas (hay que asegurarse que haya animales fundadores de cada núcleo). 2.2.1.1. Información del pedigrí Si existe información genealógica disponible, aunque no sea exhaustiva o contenga cierto nivel de errores, debe utilizarse para estimar el coeficiente de parentesco (reflejo de la homocigosidad esperada en la descendencia), seleccionándose como fundadores aquellos animales que minimicen el parentesco medio del grupo (Toro y Maki-Tanila, 1999). Ésto permite, por un lado, maximizar la heterocigosidad de la descendencia y minimizar el número de animales con iguales antecesores (Toro y Maki-Tanila, 1999) y, por otro, restringir al máximo el incremento de la consanguinidad (Toro y Pérez-Enciso, 1990). Un análisis alternativo, más complejo, consiste en la técnica de Maccluer et al., (1986) o la modificación de Suwanlee et al., (2005), basados en el estudio de la eliminación de alelos obtenida simulando el genotipo de los descendientes hipotéticos de los candidatos a donantes bajo una segregación mendeliana (metología del gene dropping). Este proceso se repite iterativamente hasta conseguir la distribución conjunta de la probabilidad de “supervivencia” de los alelos presentes en los fundadores (Gandinni et al, 1994). 116 Patrimonio ganadero andaluz 2.2.1.2. Información de marcadores genéticos En la mayoría de los casos no se cuenta con un pedigrí suficientemente profundo, o correcto para ser utilizado en la selección de los fundadores. En este caso se pueden estimar este parentesco medio a través de la información de los marcadores moleculares. Para ello es necesaria la utilización de marcadores moleculares preferiblemente codominantes, como son los microsatélites. En este sentido, se considera que los marcadores con alelos con frecuencias intermedias son más informativos. No obstante, el error de estimación puede ser elevado, salvo que se utilice un número muy elevado de marcadores (incluso superior a 30 ). Cuando esto no es posible (y en la mayoría de los casos así ocurre) es recomendable la utilización de ambas fuentes de información (pedigrí y marcadores), por ejemplo utilizando los marcadores para determinar el parentesco probable entre individuos (pe. hermanos, etc..) con la finalidad de completar el pedigrí. Cuando contamos con ambas fuentes de información, una buena vía para combinarlos es calcular el coeficiente de parentesco condicional a la información molecular y minimizar la coascendencia mediante simulación computacional utilizando metodologías MCMC (cadenas de Markov y métodos Monte Carlo; ver, por ejemplo, Toro et al., 1999). Otra alternativa más simple consiste en minimizar el parentesco calculado a partir de los marcadores, pero dentro del marco de la selección intrafamiliar. Cuando la predicción de Ne tiene en cuenta múltiples generaciones, la maximización de Ne se vuelve equivalente a la maximización de la diversidad genética. No obstante, cuando existe información disponible de pedigrí, el método más efectivo es minimizar el parentesco medio del grupo. Cuando también hay disponible información de marcadores moleculares esta información puede ser incorporada para la estimación de la verdadera relación de parentesco (Caballero y Toro, 2000). Esta utilización de los marcadores genéticos ha sido esencial en las especies salvajes (y en bastantes razas domésticas) para el establecimiento de estrategias de conservación, de tal forma que según Chevalet (1992) puede hablar de una Marker Assisted Conservation (MAC, Conservación Asistida por Marcadores) en analogía a la Marker Assisted Selection (MAS Selección Asistida por Marcadores). 2.2.2. Sistemas jerárquicos regulares En una situación simple en la que el número de machos y hembras fuera igual y las relaciones entre individuos fueran similares, el sistema de manejo óptimo sería el de obtener un macho de cada macho y una hembra de cada hembra. Bajo este sistema de igualación de las contribuciones todos los individuos tienen la misma probabilidad de transmitir su información genética y, de acuerdo a las fórmulas anteriormente presentadas 117 Volumen III. La conservación de la diversidad de razas autóctonas de Andalucía En la actualidad es tal la utilidad de los marcadores moleculares en la conservación de las especies salvajes y razas domésticas, que se puede hablar de Conservación Asistida por Marcadores (MAC) en analogía a la Selección Asistida por Marcadores (MAS). por lo que el censo efectivo de la población sería aproximadamente el doble del número de animales reales mantenidos, reduciendo correspondientemente la pérdida de variabilidad genética y el aumento de consanguinidad. Este sería el caso de especies con partos múltiples o con alto número de progenie, donde se aparean un macho y una hembra y se mantiene el número total de la población constante. Pero normalmente las poblaciones con las que se trabaja en mejora o conservación presentan proporciones de sexos desequilibradas (diferentes de 1:1). Habitualmente, por cuestiones etológicas y de manejo se dispone de un número menor de machos que de hembras. Para el mismo número total de individuos, el desequilibrio entre sexos acarrea una disminución del censo efectivo, como se puede ver en la siguiente expresión. por lo que En este sentido, una vía de incrementar el número efectivo es el de disminuir el desequilibrio entre machos y hembras, incrementando el número de los primeros (los menos numerosos). Esta última acción tiene un coste económico y demográfico difícilmente asumible (el incremento del número de machos determina un coste extra en alimentación o una disminución paralela en el número de hembras capaces de desarrollarse con los recursos disponibles). En la tabla 2 se puede observar el incremento de consanguinidad que determinarían varios tamaños efectivos obtenidos si se siguen diferentes estrategias para la elección de los reproductores en las cuatro vías clásicas (padre-hijo, padre-hija, madre-hijo y madrehija). La solución nº 3 (escoger las crías para cada reproductor) es irrealista en la gran mayoría de los casos (podría ser factible en especies con gran rendimiento reproductivo, (p.e. alta prolificidad). La estrategia nº 2 podría ser como indica Rochambeau et al., (2000) un buen compromiso. 118 Patrimonio ganadero andaluz Tabla 2. Tamaño efectivo resultante de diferentes estrategias para la elección de la reposición por diferentes vías padres-hijos. Número de padres Tamaño Efectivo Coeficiente de consanguinidad (%) después de 10 generaciones Solución Solución Nm Nf 1 2 3 1 2 3 18 500 31 42 63 15 11 8 16 500 62 82 124 8 6 4 32 500 120 157 241 4 3 2 18 250 31 41 62 15 12 8 18 1000 32 42 63 15 11 8 Adaptado de Rochambeau et al. (2000). Solución 1: Selección aleatoria en cada vía; Solución 2: Cada padre tiene una y sólo un hijo, las otras 3 vías escogidas al azar; Solución 3: El número de crías está fijado completamente). Esta tabla también hace hincapié en las consecuencias de un incremento en el número de reproductores y el cociente sexual de ambos en la población. Para el caso en el que la precariedad de la población recomiende un control exhaustivo (caso 3 de la Tabla), se han desarrollado sistemas en los que se aparea cada macho con un número fijo de hembras (d) y las contribuciones de cada pareja se determinan de modo que se minimice el conjunto de varianzas y covarianzas en las cuatro vías de transmisión (padre-hijo, padre-hija, madre-hijo, madre-hija) para maximizar el censo efectivo (Gowe et al., 1959; Wang, 1997; Sánchez-Rodríguez et al., 2003). Bajo el más reciente de los diseños se puede demostrar que la tasa asintótica de consanguinidad mantenida (4/ 3[1+2(1/ 4) d ]/ 16M, siendo M el número de machos) es la menor posible con apareamiento aleatorio. Cuando el cociente sexual es muy desequilibrado, (d muy grande) el censo efectivo llega a ser de 6M. El problema de estos sistemas es que son poco robustos frente a desviaciones de las condiciones para las que fueron diseñados (Fernández et al., 2003a). Por ejemplo, no tiene en cuenta el nivel de parentesco de los individuos que constituyen la población de partida. Tampoco contempla la posibilidad de “fallos” aleatorios (apareamientos fallidos, número de hijos por pareja menor del deseado, etc) dando resultados subóptimos. Además, la rigidez del sistema lo hace inviable para el manejo de poblaciones en las que el número de hembras por macho no es un número entero o aquellas en las que se produce una fluctuación del censo (por ejemplo, en el periodo de crecimiento en el que hay que generar un número mayor de descendientes que de parentales). 2.2.3. Contribuciones de mínimo parentesco Otra línea argumental fue propuesta en el campo de la genética de la conservación por Ballou y Lacy (1995). La idea de partida es que el parentesco entre dos individuos es 119 Volumen III. La conservación de la diversidad de razas autóctonas de Andalucía una medida de la proporción de información genética que comparten. Por ello la información que porta un grupo de parientes cercanos es redundante y la mayor cantidad de variabilidad genética la observaríamos en poblaciones donde el parentesco promedio fuera mínimo. Así se ha podido demostrar teóricamente (mediante simulación) y experimentalmente que la mejor estrategia en programas de conservación es determinar las contribuciones de cada parental a la siguiente generación de manera que se minimice el parentesco promedio global ponderado por dichas contribuciones (Frankham et al., 2002). La función objetivo a minimizar es la siguiente: donde c i es el número óptimo de hijos que debe contribuir el individuo i y f ij es el parentesco entre los individuos i y j. De esta manera los individuos muy relacionados con el resto de la población estarán penalizados, mientras que aquellos individuos poco relacionados (que se supone portarán informaciones genéticas poco representadas en la población) serán favorecidos dejando más descendientes. Esta formulación permite incluir cualquier tipo de restricción de tipo fisiológico o de manejo y, por tanto, puede aplicarse en situaciones no regulares que los métodos anteriores no podían abordar. Caballero y Toro (2000) caracterizaron las propiedades del sistema de contribuciones de mínimo parentesco demostrando que, dada la relación inversa entre parentesco y diversidad génica (DG = 1 – f), esta estrategia maximiza la cantidad de diversidad génica mantenida. Cuando se parte de poblaciones con individuos no relacionados las soluciones que se obtienen son las mismas que las que proporcionan los métodos basados en igualación de las contribuciones. Sin embargo, cuando las poblaciones de partida presentan relaciones de parentesco diferenciales, esta metodología es capaz de tenerlo en cuenta igualando las contribuciones históricas de todos los ancestros. Este efecto es en parte reflejo de la relación inversa que existe entre el parentesco y el número de genomas fundadores equivalentes (Nge). Por definición de diversidad genética, el método más deseado de la elección de los padres o de los reproductores es la búsqueda del mínimo grado de parentesco medio en cada generación, maximizando el número de genomas equivalentes, es decir minimizando la varianza de la contribución de todas las generaciones anteriores a la actual e incrementando el tamaño efectivo de la población. Así, y con bastante probabilidad, una estrategia que utilice toda la información suministrada por los pedigríes puede preservar la variabilidad genética en una determinada población con más garantías que una estrategia basada en la maximización de Ne pero que ignora los antecesores de cada individuo (Caballero y Toro, 2000). Recordando que la consanguinidad de los hijos es el parentesco de los padres, es fácil comprender que la estrategia de minimizar el parentesco también sea efectiva en el control de la consaguinidad. Es más, Fernández et al., (2004) demostraron que este método de manejo también mantiene niveles máximos de diversidad alélica debido a su tendencia a igualar las frecuencias de todos los alelos de un locus. 120 Patrimonio ganadero andaluz Algunos autores han propuesto otros criterios de manejo basados en parámetros tales como la probabilidad de poseer alelos únicos (Ballou y Lacy, 1995). Este concepto está en cierta manera recogido en la definición de parentesco promedio y es más difícil de calcular que el coeficiente de parentesco, por lo que no parece una alternativa válida. Si conocemos el genotipo para un locus concreto con una importancia específica sí estaría justificado el favorecer la reproducción de individuos que llevan alelos raros para ese locus. 2.2.4. Esquemas de apareamiento Desde el punto de vista de la diversidad genética mantenida, el esquema de apareamiento que se lleve a cabo en un programa en conservación no tiene a priori influencia (la probabilidad de transmitir tu información genética depende del número de hijos que dejes, no de con quién los tengas). Pero sí que puede tener una gran influencia sobre la consanguinidad que se genere. La consanguinidad aparece en una población vía el apareamiento de parientes. Es por ello que todos los métodos clásicos propuestos (Maximum Avoidance of Inbreeding, apareamiento circular; Frankham et al., 2002) tienen como idea subyacente la de evitar el apareamiento entre individuos relacionados. Un método muy intuitivo y llevado a la práctica en muchos programas es el de evitar el apareamiento entre individuos que compartan un abuelo, un bisabuelo, etc. Una forma más sistemática de actuar es minimizar el parentesco promedio de las parejas que se deben formar utilizando una función objetivo que minimice la siguiente generación: donde x ij es una variable que toma el valor 1 si el apareamiento entre el macho i y la hembra j se debe realizar y 0 en caso contrario. Un tercer enfoque es el propuesto por Caballero et al., (1996). Su método, denominado apareamiento compensatorio, consiste en ordenar machos y hembras por separado de acuerdo a su parentesco promedio con el resto de la población, apareando el macho más emparentado con la hembra menos emparentada y así sucesivamente. De cualquier manera, se ha demostrado que, una vez que las contribuciones se han optimizado, el margen de mejora es reducido y que las estrategias propuestas producen resultados muy similares, aunque con una ligera ventaja del método de apareamiento de mínimo parentesco. 2.2.5. Gestión de metapoblaciones El reducido censo de cada uno de los grupos en una población fragmentada exige la implementación de algún esquema de migración para evitar los problemas que conlleva el incremento de la consanguinidad. A pesar de que la migración actúa como fuerza homogeneizadora entre poblaciones, es la mayoría de las veces nuestro mejor aliado a la hora de recuperar una raza doméstica o una especie salvaje. Como hemos visto las poblaciones en peligro de extinción suelen estar constituidas por subpoblaciones muy pequeñas y aisladas, en las que el efecto de la migración de un número muy escaso de 121 Volumen III. La conservación de la diversidad de razas autóctonas de Andalucía animales determina un gran incremento del Ne global de la población. Así, en los estudios del flujo genético entre poblaciones se ha definido el término Nem como el tamaño efectivo multiplicado por la tasa de migración A partir de los estudios clásicos sobre el efecto de la migración se estableció la regla de Un Migrante Por Generación (OMPG en inglés), que indica que el hecho de mover un solo individuo de cada subpoblación en cada generación a otra subpoblación al azar (lo que se conoce como modelo isla) es suficiente para mantener niveles aceptables de consanguinidad en cada grupo, a la vez que se mantiene una diferenciación adecuada entre los mismos (Mills y Allendorf, 1996). Además de los problemas generados por las desviaciones del modelo en la vida real, que hacen diferente el censo poblacional del censo efectivo y pueden requerir más o menos de un migrante por generación para mantener el equilibrio diferenciación-consanguinidad (Wang 2004), una debilidad de este método es que asume una tasa de migración constante y movimientos de individuos entre poblaciones aleatorios, sin tener en cuenta la estructura genética de la población. Sin embrago, se puede desarrollar una estrategia dinámica (Fernández et al., 2007). Si partimos de la formulación óptima para mantener diversidad en una población única (contribuciones de mínimo parentesco global), podemos separar la contribución de cada individuo en las contribuciones particulares de ese individuo a todas las subpoblaciones. Reorganizando podemos llegar a la siguiente función objetivo a minimizar: donde c ik es el número de hijos del individuo i que se llevarán a la población k, n es el número de subpoblaciones y N el número total de individuos. El primer término de la expresión corresponde a la diversidad esperada entre poblaciones, mientras que el segundo término está relacionado con la diversidad intrapoblacional y, consecuentemente, con la consanguinidad de cada grupo. Dependiendo de cuál es la prioridad en nuestro programa (diferenciación o control de la consanguinidad) se puede dar un peso diferente a cada término y el sistema es capaz de mover el equilibrio en la dirección adecuada, todo ello sin olvidar el objetivo principal de mantener la diversidad genética global. La estrategia tiene en cuenta la estructura de la población y es capaz de detectar cualquier desequilibrio favoreciendo determinados flujos y evitando otros. Además, esta formulación permite controlar el número real de migrantes que se realiza cada generación (sobre todo cuando es un factor limitante por problemas económicos o prácticos). 2.3. Técnicas reproductivas: Inseminación Artificial y Núcleos MOET En apartados anteriores señalá-bamos que los condicionantes fisiológicos y de comportamiento característicos de la especie podían limitar los esquemas de gestión aplicables en un programa de conservación. El desarrollo de técnicas reproductivas permite romper esas barreras y, usadas adecuada-mente, pueden suponer una herramienta útil en conservación. 122 Patrimonio ganadero andaluz Las dos técnicas más importantes son la Inseminación Artificial y la Ovulación Múltiple y Transferencia de Embriones (MOET en sus siglas inglesas). Básicamente lo que permiten ambas técnicas es un uso más exhaustivo de los animales, especialmente de las hembras que no tienen que estar sometidas a las limitaciones de un periodo de gestación más o menos largo antes de poder participar otra vez como reproductoras. La utilización del semen también puede jugar un papel esencial para eliminar las barreras sanitarias que fragmentan las subpoblaciones de muchas de las razas en peligro de extinción. Esta característica es a la vez su potencialidad y su peligro, porque el uso desproporcionado de un individuo puede llevar a una pérdida de variabilidad y al aumento de la consanguinidad. Sin embargo, su implementación controlada permite que se amplíe el espacio de soluciones factibles (por ejemplo, permitiendo diseños de apareamiento factoriales que serían imposibles con monta natural) y, por tanto, los programas de conservación puedan ser más efectivos (Meuwissen, 2007). Ambas técnicas serán descritas en profundidad en otros capítulos de esta obra. 3. GESTIÓN DE POBLACIONES PEQUEÑAS: DESARROLLO DE NUEVAS ESTRATEGIAS PARA LA UTILIZACIÓN DE LOS RECURSOS GENÉTICOS ANIMALES El principal objetivo que se persigue en un programa de conservación de animales vivos es el mantenimiento de la máxima cantidad de diversidad genética con el mínimo incremento posible de consanguinidad por generación. Por lo tanto, desde el punto de vista genético los métodos de conservación genética presenta como objetivo global el mantenimiento de la variabilidad genética mediante la retención máxima de la variabilidad de la población fundadora (evitando los cuellos de botella), manteniendo el tamaño efectivo, optimizando el sistema de apareamientos y favoreciendo el flujo genético evi123 Volumen III. La conservación de la diversidad de razas autóctonas de Andalucía MEDIDAS PARA MINIMIZAR LA PÉRDIDA DE VARIABILIDAD EN LAS POBLACIONES DE CENSO MUY REDUCIDO · Introducir animales no emparentados · Diseñar apareamientos que minimicen el parentesco: · Sistemas rotatorios de apareamientos · Sistema de apareamiento dirigido con algoritmos de cálculo de la contribución · Apareamiento compensatorio · Disminuir las variaciones ambientales y optimizar el medio. · Establecer varios núcleos de tamaño adecuado y favorecer el flujo genético. · Introducción de otras razas emparentadas y posterior reabsorción. · Si hay germoplasma utilizarlo. · Obtención de embriones y utilización de otras razas para la absorción. El principal objetivo que se persigue en un programa de conservación de animales vivos es el mantenimiento de la máxima cantidad de diversidad genética (mediante la retención máxima de la variabilidad de la población fundadora y evitando los cuellos de botella) con el mínimo incremento posible de consanguinidad por generación (manteniendo el tamaño efectivo, optimizando el sistema de apareamientos y favoreciendo el flujo genético evitando el aislamiento en núcleos de tamaño inviable). · Toro MA, Maki-Tanila (1999): Establishing a conservation schema. In: Oldenbrock (ed), 1999. · Toro MA, Pérez-Enciso M (1990): Optimisation of selection response under restricted inbreeding. Genetics, Selection and Evolution 22: 93-107. · Valera M, Luque A, Molina A, Azor PJ (2003): Diversidad genética de las subpoblaciones de ganado bovino Pajuno. VIII Jornadas Científicas de Veterinaria Militar. Madrid. 130 Patrimonio ganadero andaluz